光催化专栏

• 光催化合成尿素研究进展

  杨春秋;邵鲁华;张凤鸣;

  工业尿素的合成过程通常涉及两个连续的步骤。首先，氮气和氢气在高温高压的条件下通过催化剂的作用合成氨气。随后，氨气与二氧化碳(CO_2)反应生成尿素。然而，这种传统的合成方法需要消耗大量的能源，并且会产生一定的环境污染。为了寻找一种更高效且环保的替代方法，研究人员开始探索跳过氨合成过程，通过光催化技术直接将碳源(CO_2)和氮源(N_2、NO~-_3、NO~-_2)进行偶联，实现尿素的合成。这种方法有望将两个高能耗和高污染的工业步骤优化为一个单一的由可再生能源驱动的光催化过程。本文综述了绿色尿素合成领域的最新进展，特别聚焦在不同环境条件下，通过光催化技术直接合成尿素的研究成果。深入探讨了光催化合成尿素的反应机理，为光催化合成尿素的未来发展提供了较为全面的参考。光催化C—N偶联反应不仅促进了资源的高效利用，而且为分子偶联反应的研究提供了重要的理论指导和实践参考。通过该技术，有望研发出一种更加环保且高效的尿素合成新方法，从而降低传统工业生产过程中能源的消耗和环境的污染。

  2025年05期 v.42 505-515+631页 [查看摘要][在线阅读][下载 3689K]
  

• 单原子修饰氮化碳光催化剂的研究现状：从文献分析的角度

  潘俊彦;曲阳;

  以Web of Science核心数据库中2016—2023年关于研究单原子修饰氮化碳光催化剂的775篇文献为样本进行了整理提取，并利用引文分析软件VOSviewer和CiteSpace进行了计量统计和可视化分析。梳理分析了单原子修饰氮化碳光催化剂的发文情况、研究热点与研究趋势。结果表明，近年来单原子修饰氮化碳光催化剂研究领域的发文量持续增长，其中中国、澳大利亚和美国三国贡献了最多的研究成果。该领域研究内容呈现多学科交叉融合的发展趋势，大部分研究成果发表在有影响力的期刊上。当下研究热点集中于合理设计制备性能优异的单原子修饰氮化碳光催化剂，重点集中在二氧化碳(CO_2)还原和光分解水析氢等方向的性能研究，以实现在能源转化、污染治理等方面的工业化应用。

  2025年05期 v.42 516-523页 [查看摘要][在线阅读][下载 3956K]
  

• 缺陷氮化碳用于可见光催化制氢

  廖礼俊;李贞子;王世杰;郭莉萍;杨薇;周卫;

  石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride, g-C_3N_4)作为一种具有合适禁带宽度的无金属光催化剂受到了广泛关注。然而，g-C_3N_4可见光吸收范围有限且光生载流子复合率高，导致其光催化活性低。g-C_3N_4中的空位缺陷对于光催化反应的动力学、能量和机理起着决定性作用。g-C_3N_4的结构缺陷和表面官能团缺陷工程对优化其电子结构和光催化活性具有重要意义。采用热聚合法制备g-C_3N_4,再用表面缺陷工程对g-C_3N_4进行改性。紫外可见吸收光谱和光电化学性能测试证明，表面缺陷提高了g-C_3N_4对可见光的吸收，增强了光生载流子的分离和迁移效率。改性后的缺陷型g-C_3N_4具有更好的光催化制氢活性，制氢速率可达0.175μmol·h~(-1)·g~(-1),是原始g-C_3N_4的59倍。该结果为通过环境友好的后修饰方法来增强有机半导体光催化活性提供了新视野。

  2025年05期 v.42 524-530+631页 [查看摘要][在线阅读][下载 3072K]
  

• Zn、Fe共掺杂氮化碳基光催化剂及其莠灭净降解机制

  石芳竹;寸宇彤;梁静;程睿奇;闫蕊;

  采用煅烧法制备了氮化碳(g-C_3N_4),再通过煅烧原位合成了Zn、Fe共掺杂g-C_3N_4光催化复合材料(命名为Zn, Fe-HCN-n,n=1,2,3,4,5)。利用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)、傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis diffuse reflection spectrum, UV-Vis DRS)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)等技术对催化剂的晶体结构、微观形貌、吸光范围和元素价态等进行了表征。可见光催化降解莠灭净实验结果表明，Zn, Fe-HCN-2复合材料的光催化降解活性最高。Zn、Fe共掺杂大幅度促进了g-C_3N_4的电荷分离效率，提高了可见光的利用率，从而显著提升了莠灭净的降解效率。对莠灭净降解中间碎片产物的分析，揭示了由羟基自由基(·OH)与超氧自由基(·O~-_2)介导的协同降解路径。

  2025年05期 v.42 531-542页 [查看摘要][在线阅读][下载 4601K]
  

数理科学与信息技术

• 用吴特征列方法定量分析一类捕食-被捕食生物模型

  韩涵;蒋鲲;

  利用差分系统的吴特征列方法对一类具有Holling II功能响应的离散时间捕食-被捕食动力模型进行求解。通过有效化变换、一致性判断、零点集分解等过程，降低方程求解难度，从而得到该方程的精确解。本研究可为研究捕食者与被捕食者在空间中的相互影响提供可靠数据支持。

  2025年05期 v.42 543-551页 [查看摘要][在线阅读][下载 155K]
  

• 一类可解李代数的Hom-结构

  张菊双;远继霞;

  李代数的结构是李代数的重要研究方向之一，并且Hom-结构在李代数结构理论中占据着重要地位。本文聚焦于特征零代数闭域F上的情形，具体研究了一类以m维filiform李代数为幂零根基的m+1维可解李代数，旨在探索其上的Hom-结构，并且得到了它的Hom-结构的基底。

  2025年05期 v.42 552-560页 [查看摘要][在线阅读][下载 172K]
  

• 具有Allee效应和避难所的离散偏害共生系统的分支分析

  贺世山;胡新利;吴航;

  研究了一类具有Allee效应和避难所的离散偏害共生系统。首先，使用分段常数变元法将系统离散化，讨论了平衡点的存在性和稳定性。其次，使用中心流形定理和分支理论分析了系统在正平衡点上发生Flip分支和Fold分支的条件。最后，数值模拟验证了分支理论的有效性，并讨论了Allee效应对于系统的影响。结果表明，Allee效应能促进受害种群的稳定。

  2025年05期 v.42 561-570页 [查看摘要][在线阅读][下载 1579K]
  

• 基于复杂网络的HIV传播动力学分析

  焦艺蒙;王瑞玲;刘茂省;

  基于传染病动力学原理和人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus, HIV)传播机制，构建了一类复杂网络上的易感者-感染但未检测者-感染已检测者-感染已治疗者-艾滋病患者(Susceptible-undetected infected-detected infected-treated infected-AIDS,SI~UI~DI~TA)的传播模型，以解析人群接触异质性对疫情的影响。首先，应用下一代矩阵法推导出基本再生数R_0的表达式，并对模型平衡点进行稳定性分析，当R_0<1时，无病平衡点全局渐近稳定；当R_0>1时，地方病平衡点全局渐近稳定。其次，敏感性分析显示，未检测感染者的传染率对R_0的影响最为显著；基本再生数R_0与HIV检测率、治疗率呈显著负相关，因此提高检测率和治疗率可有效抑制HIV传播。最后，研究结果为“精准检测-高效治疗”联合防控策略提供了严格数学支撑，其方法可为其他具有无症状感染传染病的建模与防控提供理论参考。

  2025年05期 v.42 571-580页 [查看摘要][在线阅读][下载 2405K]
  

环境科学与生命科学

• 食窦魏斯氏菌产β-甘露聚糖酶及魔芋葡甘低聚糖制备

  石景军;徐家菊;季海蕊;赵丹;

  为了提高食窦魏斯氏菌(Weissella cibaria,W.cibaria)F1产甘露聚糖酶的水平，通过单因素试验优化培养基组分和发酵条件。利用W.cibaria F1粗酶液降解魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan, KGM)制备魔芋葡甘低聚糖(Konjac oligo-glucomannan, KOGM),并研究KOGM对益生菌增殖的影响。试验结果表明，最优培养基组分为KGM 6 g·L~(-1)、葡萄糖10 g·L~(-1)、酵母浸粉7 g·L~(-1)、蛋白胨12 g·L~(-1)、牛肉膏8 g·L~(-1)、磷酸氢二钾6 g·L~(-1)、柠檬酸铵3 g·L~(-1)、结晶乙酸钠4 g·L~(-1)。最优发酵条件为初始pH 6.5、装液量100 mL/250 mL、接种量5%、摇床转速120 r·min~(-1)、温度30℃时。在上述条件下，W.cibaria F1甘露聚糖酶产量为(29.28±0.18) U·mL~(-1),其是优化前((9.18±0.20) U·mL~(-1))的3.19倍。KOGM对植物乳植杆菌(Lactiplantibacillus plantarum subsp.)CICC 6076和青春双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)QY03等6种益生菌均有不同程度的促增殖作用。本研究提高了W.cibaria F1产甘露聚糖酶水平，为该酶制备KOGM作为益生元的应用提供了依据。

  2025年05期 v.42 581-589页 [查看摘要][在线阅读][下载 2789K]
  

电子科学与通讯工程

• 基于深度强化学习的未知移动目标轨迹预测方法

  朱峰;孙袁星;毛亿;施晓东;

  针对城市建筑群中未知移动目标的轨迹预测难题，提出一种基于柔性动作-评价(Soft actor-critic, SAC)算法改进的轨迹预测方法。构建了无线传感器网络(Wireless sensor network, WSN)模型以监测环境中未知移动目标的位置、速度与加速度等信息，并通过动态激活无线传感网节点的方式降低能量损失。接着优化SAC算法模型，通过在Actor网络中增加长短期记忆(Long short-term memory, LSTM)网络层使得算法面对复杂城市环境能够更好决策。此外，通过将动作空间解耦为离散动作空间集和连续动作空间集，实现节点动态激活和车辆轨迹预测双重任务需求的满足。最终与三种基线算法SAC、深度Q网络(Deep Q-network, DQN)和深度确定性策略梯度(Deep deterministic policy gradient, DDPG)作性能比较，实验结果表明，本算法在预测误差、收敛步数和学习效率方面均优于基线算法。根据动态激活节点模块绘制能耗对比图，发现相比全部激活的模式能够降低66%的能量损耗，证明了其在实际应用中的可行性和可靠性。

  2025年05期 v.42 590-602页 [查看摘要][在线阅读][下载 12252K]
  

• ADFP:一种轻量级的绝缘子检测算法（英文）

  时浩烊;王国涛;关心;唐守义;杨自恒;

  为解决从无人机拍摄图像中检测绝缘子部件缺陷时模型复杂度高和准确率低的问题，提出了基于YOLOv11(You Only Look Once version 11)的自适应下采样和频率位置融合(Adaptive downsampling and frequency-position fusion, ADFP)算法。该算法具有高效的下采样模块、新的特征提取模块和创新的颈部结构。通过将频率感知级联注意力(Frequency-aware cascade attention, FCA)的空间通道注意力模块与ADown模块相结合，减少参数量的同时，准确率显著提高。此外，颈部模块进行了重新设计，并引入了位置感知关键特征融合网络(Position-aware key feature fusion network, PKFN)模块以进一步提高特征融合能力。在SAID数据集上使用改进后的模型进行了实验。与原始模型相比，ADFP的mAP(0.5)提高了5.3%,而模型参数减少了12.0%。在其他公共绝缘子部件缺陷数据集上，这些改进都具有更好的结果。多项实验证实了该模型的有效性和强大的泛化能力。

  2025年05期 v.42 603-618页 [查看摘要][在线阅读][下载 10107K]
  

• 基于三维扰动与嵌入式扩散的彩色图像加密方法

  张鑫格;张朝;李佳凝;甄佳奇;赵冰;

  提出了一种基于动态密钥耦合与三维扰动的彩色图像加密方法，通过多层次扰动机制与加密扩散结构的协同设计，提高图像数据的安全性与复杂性。算法利用生成具备高敏感性与大密钥空间的初始密钥流，并结合图像RGB(Red-Green-Blue)三通道的统计特征构建自适应密钥。在扰动阶段，引入密钥驱动的跨通道的块置乱方法，有效破坏图像的颜色与空间结构。再嵌入对称加密算法(Advanced encryption standard, AES)进一步动态扩散像素特征，从而提升系统对多种攻击的抵抗能力，同时弥补其不能抗剪切能力。实验结果表明，该算法在直方图分布、相关性分析、信息熵和差分攻击等评估指标上均具有良好表现，适用于高安全需求的图像保护场景。

  2025年05期 v.42 619-630页 [查看摘要][在线阅读][下载 10848K]
  
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