封面介绍
低碳发展关乎世界的未来，能源转换和储存技术创新是引领这种发展的最重要动力。先进电池、太阳能电池和燃料电池是能源领域最令人兴奋的创新领域，涉及多样化的新结构、新材料和新技术。然而，广泛应用这些电池和电池技术仍面临许多科学和工程上的挑战，包括安全、成本、制造、性能和使用寿命等方面。本期专题报道了在材料、器件和系统层面上具有固有安全性的电池设计的新机遇，固态电池、钠离子电池、新型多电子体系电池和液流电池的关键技术、实施策略和未来发展，太阳能电池在能源结构转型中的密集参与路径，以及燃料电池使用中的机遇和挑战问题。我们相信，只有不断创新才能实现完全无碳的世界：正如爱迪生曾经说过的那样，“总会有办法做得更好的——找到它！”
尽管城市交通电气化快速发展，但电池电动公交车（EB）车队的系统规划和管理进展却较为落后。本研究首先综述了影响电池电动系统的基本问题，包括充电站部署、电池尺寸、公交车调度和生命周期分析。目前，EB系统的规划和运行是按顺序进行的，公交车调度是在公交车队和基础设施部署完毕后进行的，这导致了资源利用率低和资源浪费。对此，本文提出了混合整数规划模型整合充电站部署和公交车队管理，以尽可能低的生命周期成本（LCC），包括所有权、运营、维护和排放费用，缩小最佳规划与运营之间的差距。引入了分支定价算法，以减少寻找最佳解决方案所需的计算工作量。本研究还通过分析真实案
例，与目前的公交运营策略和充电站布局相比，一条公交线路的LCC优化后可显著降低30.4%。提出的方法不仅可以进行生命周期分析，还可以为交通部门和运营商提供可靠的充电桩部署及单线和多线的公交调度计划，这两者都是未来具有高电气化普及率的交通系统中决策支持的关键要求，此研究也有助于推动可持续交通的发展。
本文介绍了一种基于横向运动栅极场效应晶体管（LMGFET）的新型微型力传感器。文中提出了一种用于小型LMGFET器件性能评估的电气模型，与以前的模型相比，其具有更高精度。由此设计了一种新型的三明治夹层结构，该结构由跨轴解耦Au-栅极阵列层和两个柔性光刻胶SU-8 层组成。通过所提出的双差分传感布置，LMGFET工作时受垂直干扰产生的输出电流被大大消除，所提出传感器的相对输出误差从4.53%（传统差分结构）降低到0.01%。本文还为所提出的传感器开发和模拟了一个可行的制造工艺过程。基于LMGFET的力传感器的灵敏度为4.65 μA∙nN−1，可与垂直可动栅极场效应晶体管（VMGFET）器件相媲美，器件的非线性度提高了0.78%，测量范围扩大为±5.10 μN。上述分析能够为LMGFET器件的电气和结构参数提供全面的设计优化指导，并证明了所提出的传感器在生物医学显微操作应用中具有出色的力传感潜力。
由于机器学习智能和能力有限，它目前仍无法处理各种情况，因此不能在现实应用中完全取代人类。因为人类在复杂场景中表现出稳健性和适应性，所以将人类引入人工智能（AI）的训练回路并利用人类智能进一步提升机器学习算法变得至关重要。本研究开发了一种基于实时人类指导（Hug）的深度强化学习
（DRL）方法，用于端到端自动驾驶案例中的策略训练。通过新设计的人类与自动化之间的控制转移机制，人类能够在模型训练过程中实时干预和纠正智能体的不合理行为。基于这种人在回路的指导机制，本研究开发一种基于修正策略和价值网络的改良的演员-评论家架构（actor-critic architecture）。所提出的Hug-DRL的快速收敛允许实时的人类指导行为融合到智能体的训练回路中，进一步提高了DRL的效率和性能。本研究通过40 名受试者的人在回路实验对开发的方法进行了验证，并与其他最先进的学习方法进行了比较。结果表明，该方法可以在人类指导下有效地提高DRL算法的训练效率和性能，且不特定要求参与者的专业知识或经验。
本研究通过五步连续流合成了抗病毒药物瑞德西韦的核碱基单元7-溴吡咯[2,1-f][1‒2,4]三嗪-4-胺。采用间歇式合成化学方法，利用广泛可用且廉价的起始原料吡咯，通过顺序流动操作成功生产了7-溴吡咯[2,1-f][1‒2,4]三嗪-4-胺。在最佳流动条件下，7-溴吡咯[2,1-f][1‒2,4]三嗪-4-胺的分离收率为14.1%，总停留时间为79 min，通量为2.96 g∙h−1,总停留时间明显短于批处理程序中消耗的总时间（大于26.5 h）。在流动中，有利地促进了涉及危险和不稳定的中间体的高度放热的Vilsmeier-Haack 和N-胺化反应、氧化液-液双相转化及需要严格低温条件的溴化反应。这种合成方法的显著特点是，通过部署专用设备和分离单元，将后处理程序完全集成到反应序列中，从而形成一个精简的连续流系统，最大限度地提高整个过程的效率。该方法是一种更环保、更可持续的高效、安全地制备核碱基单元的方法。
化学工业是我国主要的CO2排放源，为了实现我国的碳中和目标，必须重点关注化学工业的碳排放情况。基于固体氧化物电解池（SOEC）的CO2高温电解技术，对于中国实现碳减排、碳达峰和碳中和目标具有重要意义。此外，该技术可以实现CO2的资源化利用，从而产生可观的环境效益和潜在的经济效益。目前，CO2高温电解技术已经在实验室和中试阶段取得了很大进展，但对该技术的大规模工业应用还需要进一步探索。本文综述了高温CO2电解池材料的最新研究进展，讨论了SOEC技术的未来发展方向，并提出了SOEC技术与化工合成耦合实现碳中和目标的方法。
近几十年来，我国在快速发展和工业化的同时，在环境污染防治方面也做出了巨大努力。然而，这些全国性措施（如能源结构调整）对土壤中污染物浓度的影响尚未得到很好的量化。多环芳烃（PAHs）污染在全球范围内引发重要关注，且PAHs排放与能源结构有关。因此，我们推测我国能源结构的调整可能会降低土壤中PAHs的含量。为了验证这一假设，我们于2008 年和2019 年在北京54 个点位重复采集了土壤样品，分析了美国环境保护署（US EPA）提出的16 种优控PAHs 化合物（Σ16PAHs）的浓度，并收集了过去20 年全国1704 个土壤采样点的数据。结果表明，我国Σ16PAHs浓度沿城市-郊区-农村-背景点梯度下降，且Σ16PAHs 浓度与区域总产值（GRP）有关，在GRP 较低时Σ16PAHs 浓度随GRP 的增加而增加，随后在GRP 达到一定水平时趋于平稳。过去20 年，我国土壤Σ16PAHs 的平均浓度呈下降趋势，其中北京土壤Σ16PAHs的平均浓度从2008 年的22.7 μg⋅g‒1总有机碳（TOC）显著下降到2019 年的10.0 μg⋅g‒1 TOC。源识别分析推断，土壤PAHs浓度的下降趋势是由于我国煤炭、焦炭、部分油类消费量下降以及电力、天然气等清洁能源消费量上升所致。本研究例证了调整能源结构在降低土壤多环芳烃浓度和改善土壤环境质量中的重要作用。
纳米零价铁生物炭（nZVI-BC）作为一种由废弃生物质制备的环境友好型材料，可有效解决生物质转化和环境污染问题。然而，复杂的生物质/生物炭改性过程阻碍了它们的进一步生产和应用。在本研究中，一种绿色溶剂聚乙二醇400（PEG400）被引入FeCl3⋅6H2O改性水稻秸秆（RS）的反应体系中，改性后的RS通过一步热解法被转化为nZVI-BC。PEG400 的添加促进了铁离子的水解并改善了RS的表面结构，有利于Fe2O3附着到RS表面。在60 ℃、80 ℃、100 ℃和0.5 h 的改性条件下，RS中木质素组分损失不多，有利于高温热解过程中碳骨架的形成。Fe2O3在热解产生的还原气体和无定形碳的帮助下被还原，最终形成nZVI-BC。将该方法制备的nZVI-BC 用于染料刚果红的催化高级氧化去除，结果表明，nZVI-BC 具有快速的吸附能力（5 min 时吸附效果为70.6%）和高效的催化降解能力（60 min 时催化降解90%）。本研究为nZVI-BC的制备提供了一种新的策略，为其规模化生产和应用奠定了基础。
如何实现人类社会经济的可持续发展是本世纪的重大挑战之一。近几十年来，中国的经济实力大幅提升，国际影响力显著增强。然而，经济社会高速发展可能会给生态环境造成诸多不利影响，其中之一就是人类活动污水排放总量的快速增长。长江经济带作为中国高质量发展的重点区域，科学评估和揭示沿江城市群污水治理成效及影响因素至关重要。本研究核算了2007‒2017 年间长江流域主要污染物的浓度变化趋势，利用数据驱动型技术对影响污染物通量变化的关键因子及其贡献开展了系统解耦和量化分析，揭示了污染物排放强度的时空异质性，解析了沿江城镇污水系统发展对污染物通量削减的作用效果。研究发现，长江流域水污染治理成效总体向好，长江经济带国内生产总值和沿江人类活动污水排放强度之间的强耦合在2013 年之后呈现脱钩趋势，这主要得益于城镇排水和污水厂基础设施建设的快速发展。研究提出，长江流域城镇污水治理如何实现以水载资源再生利用为导引的“绿色零碳模式”转变，对于全面改善长江流域的水环境质量具有关键作用，同时也能为区域生态环境保护与经济高质量发展提供有益启示和借鉴。
通过传统瓷砖制备工艺的干压法，制备了一种碳化酚醛树脂基导电陶瓷复合材料（CCC）。首先，将导电前驱体溶液（酚醛树脂）与陶瓷前驱体均匀混合，随后在单次热处理中同时实现了碳化和陶瓷化。碳化后的材料赋予复合材料出色的电导率和可靠的循环加热特性。在12 V电压下通电10 min 后材料表面温度可达386 ℃，在20 V电压下达到400 ℃仅需48 s。红外热像图表明，热量在复合材料表面分布均匀，并且可以通过更改电路布置（串联或并联）来调节电热转换性能。此外，与普通陶瓷相比，导电陶瓷复合材料在8.2 GHz下表现出了26.2 dB的优异电磁屏蔽性能，并提升了光热转换性能。更重要的是，这种单次热处理加热生产导电陶瓷复合材料的方法成本较低，可在原有瓷砖生产线的基础上进行大规模生产。出色的电学性能促进了该陶瓷复合材料在焦耳加热（如除冰、烧水和烹饪）及电磁屏蔽中的应用。
在现代新材料的快速发展中，用节能、省时、低成本和简便的新型方法制备具有优良机械性能和热学性能的轻质、低密度和高孔隙率气凝胶十分必要。在本工作中，我们使用短切电纺聚酰亚胺（PI）纤维作为支撑骨架，通过开发出一种无需特殊干燥方法的真空干燥（VD）与冷冻-萃取相结合的方法，制备出高性能PI 纤维气凝胶（PIFAs）。所得PIFAs 具有低密度（≤52.8 mg⋅cm−3）和高孔隙率（>96%）。该PIFA在至少20 000 次的循环压缩过程中展现出高度的耐疲劳性及低能量损失系数。密度为39.1 mg⋅cm−3的PIFA具有40.4 mW⋅m−1⋅K−1的热导率。通过进一步使用聚硅氮烷对PIFAs复合改性后，其具备更强的耐火性和氮气氛围中的高残留率（>70%）。这些优异的性能使PIFAs 及其复合材料成为可应用于建筑工业、航空和航天工业轻质材料、隔热和防火层以及高温反应催化剂载体的可选材料。此外，本工作中提出的冷冻-萃取/VD法因其节能、省时和节约成本而可被拓展用于制备其他材料。
城市洪水是世界性的重大问题，造成巨大的经济损失，严重威胁公共安全。减轻其影响的一种有希望的方法是开发实时洪水风险管理系统；然而，由于缺乏高时空降雨数据，构建这样一个系统通常具有挑战性。虽然一些方法（即地面降雨站或雷达和卫星技术）可用于测量和（或）预测降雨强度，但使用这些方法很难获得具有理想时空分辨率的准确降雨数据。本文提出了一种基于图像的深度学习模型来估计具有高时空分辨率的城市降雨强度。进一步来说，一种称为基于图像的降雨卷积神经网络（image-based rainfall convolutional neural network, irCNN）模型是使用从现有密集传感器（即智能手机或交通摄像头）收集的降雨图像及其相应的测量降雨强度值开发的。随后使用经过训练的irCNN 模型根据传感器的降雨图像有效地估计降雨强度。分别利用合成降雨数据和真实降雨图像来探索irCNN 在理论和实际模拟降雨强度方面的准确性。结果表明，irCNN 模型提供的降雨量估计值的平均绝对百分比误差在13.5%~21.9%之间，超过了文献中其他最先进的建模技术的性能。更重要的是，所提出的irCNN 的主要特点是它在有效获取高时空城市降雨数据方面成本较低。irCNN 模型为估算城市降雨强度提供了一种有前景的替代方案，可以极大地促进城市实时洪水风险管理的发展。
完美的手术技术和充分的免疫抑制是确保最佳移植物和患者存活的关键。不同药物的可用性导致了一些通常由行业驱动的不同类型的临床试验，以寻找理想的免疫抑制方案。然而，大量概念不同的研究设计未能明确定义最佳免疫抑制方案。基于钙调神经磷酸酶抑制剂他克莫司、抗代谢药物霉酚酸酯或硫唑嘌呤和短期类固醇（除了可能的诱导外）的三联免疫抑制方案仍然是目前公认的肝移植标准免疫抑制方案。然而，鉴于排斥定义的变化、免疫抑制负荷的定制以及由于慢性免疫抑制引起的长期副作用，未来的试验最好包括一个以上的终点，而不是急性T细胞介导的急性排斥（a-TCMR）或肾衰竭。相反，需要一个涵盖患者和移植物存活率以及急性和慢性排斥反应发生率的综合终点。这些免疫现象应根据一系列长期的生物学和组织学随访进行检查。临床相关α-TCMR的诊断和治疗应基于综合生物学、免疫学和组织病理学的发现。这两个要素对于朝着更谨慎的免疫抑制处理和有利于临床操作耐受性的方向发展至关重要。
骨肉瘤是一种间充质组织来源的恶性肿瘤，好发于儿童和青少年，发生肺转移常导致患者死亡。关于骨肉瘤进展的机制仍不清楚。因此，迫切需要开发新的骨肉瘤治疗靶点和治疗模式。异常表达的非编码环状RNA（circRNA）对骨肉瘤的发生和发展至关重要。本研究的目的是探索一种新的circRNA circ_000203 在骨肉瘤中的表达和作用，阐明其潜在机制。我们发现，在骨肉瘤细胞系和组织中circ_000203 高表达，并且circ_000203 敲低显著抑制了体外和体内的骨肉瘤进展。此外，我们发现circ_000203 是miR-26b-5p 的海绵，而miR-26b-5p 是骨形态发生蛋白受体2（BMPR2）的上游调节因子。因此，BMPR2 的过表达可以减轻对骨肉瘤进展的抑制作用。这表明，敲低circ_000203 可通过miRNA介导的BMPR2 下调抑制骨肉瘤的进展。我们的发现为理解骨肉瘤的发生和发展提供了重要的见解。
一般情况下，每年冬季是季节性流感高发季节，但在当前新冠病毒肺炎（COVID-19）大流行期间，全球季节性流感活动呈“断崖式”下降。为应对即将到来的流感季节，亟需弄清这种前所未有的流感低水平流行的原因。本文中，我们探索了一种国家特异性推理模型，利用该模型估计中国、英国和美国这三个国家中佩戴口罩、人员流动变化（国际和国内）以及严重急性呼吸综合征冠状病毒2 型（SARS-CoV-2）干扰的影响。结果发现，在这些地区增加一周佩戴口罩的干预措施，流感活动可减少11.3%~35.2%。实施一周的限制人员流动措施对国际（流感活动可减少1.7%~6.5%）和国内社区（流感活动可减少1.6%~2.8%）的影响较小。2020—2021 年，仅佩戴口罩这一项干预措施就可使阳性率下降13.3%~19.8%。仅人员流动变化可使阳性率降低5.2%~14.0%，其中，79.8%~98.2%归因于国际旅行限制。SARS-CoV-2 干扰仅在2019—2020 年具有统计学显著效应。中国北方地区及英国的阳性百分比分别降低7.6％（2.4~14.4）和10.2％（7.2~13.6）。探索所得出的结果对了解非药物干预措施和其他呼吸系统疾病背景下的流感演变有一定意义，有助于制定卫生政策，并可为公共卫生措施的个性化设计提供信息。
延长基于蛋白质治疗药物的半衰期可以提高药物疗效。然而，基因治疗本质上是提供了长期表达所需的治疗性蛋白，药物半衰期对基因治疗疗效的影响尚不清楚。在这项腺相关病毒（adeno-associated virus, AAV）基因治疗研究中，通过与免疫球蛋白G1（immunoglobulin G 1, IgG1）可溶性单体Fc 区（soluble monomeric IgG1 fragment crystallizable, sFc）或Fc 区融合，设计了几种能够延长半衰期的蛋白质。研究表明，延长AAV递送的小分子双功能蛋白和成纤维细胞生长因子21（fibroblast growth factor 21, FGF21）的半衰期显著增加了它们在血液循环中的浓度。此外，AAV递送FGF21 延长其半衰期使2 型糖尿病动物模型中肝损伤和血糖显著降低，并改善了葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。这些结果证明了延长药物半衰期的基因治疗在应对人类疾病中的治疗潜力。
反硝化生物反应器（DNBR）被广泛用于减少农业废水中过量的硝态氮。其性能取决于基质的物理和化学性质。在以前的研究中，已经对一部分常见基质做了总结。然而，很少有研究尝试确定基质类型在硝态氮去除中起作用的一般模式。本研究利用从63 篇同行评议文章中收集的数据总结了41 种基质类型，包括219 个独立DNBR单元。基质分为四类：①天然碳（NC），如木屑；②非天然碳（NNC），如可生物降解聚合物[如聚己内酯（PCL）和废品（如纸板）]；③无机材料（IM），如非碳材料（如氧化铁）；④复合材料（MM），如上述材料的混合物。通过对硝态氮去除速率[NRR，氮去除（g∙m‒3∙d‒1）]和硝态氮去除效率（NRE, %）的元分析，对这些材料进行比较和评估。本文综合阐述了基质效果（NRR和NRE）、潜在机理、污染交换和成本分析。我们的分析表明，木屑和玉米芯是NC中最具成本效益的基质。对比所有参与研究的基质，我们建议将MM作为最优基质，尤其是具有很大的改进空间的基于木屑和玉米芯的基质。该分析有助于优化DNBR的设计，以满足使用者对环境、经济和实用的需求。