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    2021年 第27卷 第2期    刊出日期:2021-04-30
    2021年 第27卷 第2期 电子期刊
    2021, 27(2):  226-410. 
    摘要 ( 1076 )   PDF (63904KB) ( 219 )  
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    中国西南地区河流拦截对物质循环的影响及生态意义
    基于 FTIR 对水库沉积物中 TOC, TN 和 BSi 含量的快速测定
    梅林, 范新怡, 岳一鸿, 刘留, 褚永胜, 汪福顺
    2021, 27(2):  227-235.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2290
    摘要 ( 380 )   HTML ( 555)   PDF (1385KB) ( 63 )  
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    利用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)分析了中国西南喀斯特地区岩滩(Yantan, YT)水库中的沉积物, 探讨了基于 FTIR 的沉积物总有机碳(total organic carbon, TOC)、总氮(total nitrogen, TN)和生物硅(biogenic silica, BSi)含量的快速分析方法. 采用偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)方法, 分别建立了 TOC/TN/BSi 含量的 FTIR 预测模型, 并根据实测数据对这一预测模型的预测精度进行了验证. 结果表明: 该方法可有效提取水库沉积物中的地球化学信息, 应用于高分辨率古环境变化的研究; 需要样品量少, 预处理过程简单, 并因其快速和经济的特点, 在测定大量沉积物样品时具有极大的优势.

    喀斯特地区深水型水库重金属分布特征、影响因素及来源——以龙滩水库为例
    关天昊, 李晓东, 王亦尧, 杨梦迪, 崔高仰, 丁士元, 张雪程
    2021, 27(2):  236-249.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2289
    摘要 ( 511 )   HTML ( 308)   PDF (1963KB) ( 72 )  
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    为了揭示喀斯特地区深水型水库溶解态重金属时空变化的影响因素及来源, 选取珠江流域龙滩水库为研究对象, 分析了2019年7月和2020年1月库区分层水、 汇入库区的支流表层水、下泄水的溶解态重金属, 以及2019年4月、7月、10月和2020年1月库区的水化学参数. 通过主要离子Piper图, 不同种类重金属间的Pearson相关分析、聚类分析, 环境因子与溶解态重金属间的典型对应分析(canonical correlation analysis, CCA), 发现流域碳酸盐岩风化是龙滩水库溶解态重金属的重要外部来源. 水库水体季节性热分层所导致的相对水柱稳定性(relative water column stability, RWCS)的变化是影响龙滩水库溶解态重金属时空分布的主要因素. 较高的RWCS通常会促进Cr, Cu的释放, 而较低的RWCS会促进Fe, As的释放. 该研究为了解水动力条件与溶解态重金属间的关系提供了一定的理论依据, 同时对喀斯特地区深水型水库水资源的科学利用与保护具有重要指导意义.

    乌江流域颗粒态有机碳的时空分布特征
    张金华, 黄佳琦, 林昕, 汪福顺, 马静
    2021, 27(2):  250-259.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2145
    摘要 ( 2084 )   HTML ( 288)   PDF (3178KB) ( 57 )  
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    以乌江为研究对象, 采集了乌江干流 7 座大型水库及猫跳河支流红枫水库的表层水体悬浮颗粒物(total suspended matter, TSM)样品, 测定了其表层颗粒态有机碳(particulate organic carbon, POC)和稳定碳同位素($\delta ^{13}$C), 并以木质素作为陆源有机质的生物标志物, 分析了乌江流域水库有机碳的空间和季节分布特征. 结果表明: 表层水体 TSM 质量浓度受季节影响显著, 呈现出春夏季高于秋冬季的趋势; POC 和木质素含量($\Sigma $8 和 $\Lambda $8)差异受季节影响较大, 其中 秋冬季上游 POC 含量显著高于下游, 体现出梯级筑坝拦截效应; $\Sigma $8 与 $\Lambda $8 呈显著线性相关, 都表现出明显的秋冬季高于春夏季的趋势. 表层水体 TSM 的 $\delta ^{13}$C 值明显偏负, 可能是由于陆源植物碎屑和淡水浮游生物更容易存在于表层水体. 木质素参数信息反映出流域内的优势植被种群为被子植物, TSM 样品的陆源有机质是由多种类型植物共同混合、降解、运输至河流的. TSM 样品的降解水平不高, 7 月、10 月个别采样点出现了较高的降解水平.

    河流筑坝对流域和景观尺度土地利用变化的影响——以洪家渡水库为例
    符俊杰, 王伟, 李伟, 孙君瑶
    2021, 27(2):  260-270.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2291
    摘要 ( 448 )   HTML ( 295)   PDF (5677KB) ( 66 )  
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    土地利用变化与人为干扰密切相关. 河流筑坝改变了库区周边土地利用的类型和覆盖, 影响了陆地生态系统通过内陆水体向海洋进行物质输送的过程. 以乌江六冲河洪家渡水库为例, 通过土地利用转移矩阵分析, 在流域尺度和景观尺度探讨了洪家渡水库建设对六冲河洪家渡流域内土地利用变化的影响. 结果表明: ① 在时间尺度上, 土地利用变化主要发生在蓄水后第二阶段; 蓄水后第一阶段洪家渡水库流域总体变化为耕地面积减少 91.33 km$^{2}$, 林地、草地、水体、建筑面积分别增加 26.54, 8.84, 55.51, 0.45 km$^{2}$; 蓄水后第二阶段总体变化为耕地、林地、草地面积分别减少 230.98, 30.17, 42.88 km$^{2}$, 水体、建筑面积分别增加 9.07, 295.46 km$^{2}$; ② 在空间尺度上, 土地利用变化主要集中在洪家渡水库附近, 表现为耕地面积减少、草地面积增加; 在库区景观尺度上, 洪家渡水库筑坝后淹没了不同类型的土地形成库区, 0$\sim$1 km 缓冲区范围内土地利用类型变化最大, 主要表现为水体转移为草地, 建筑转移为耕地.

    乌江流域下游梯级水库沉积物中木质素的特征及有机碳来源辨析
    黄佳琦, 林昕, 汪福顺, 马静
    2021, 27(2):  271-279.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2280
    摘要 ( 545 )   HTML ( 312)   PDF (750KB) ( 90 )  
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    以位于中国西南喀斯特地貌乌江流域下游的两座大型深水水库(思林水库、彭水水库)为研究对象, 利用木质素生物标志物技术对沉积柱中的陆源有机碳(organic carbon, OC)进行了定性分析和定量计算. 研究结果表明: 木质素含量指标$\Sigma 8$值在0.55$\sim$ 2.97 mg/10 g dw(dry weight, 干重)之间, $\Lambda 8$值在0.38$\sim$1.42 mg/100 mg OC之间; 木质素母源植被信息显示, 沉积柱中的木质素主要来源于被子植物的草本组织; 木质素受白腐菌和棕腐菌共同作用, 发生较低程度的去甲基/去甲氧基以及侧链氧化降解. 端元模型结果显示, 沉积柱中外源有机碳的贡献总体上略大于内源有机碳, 其中土壤有机碳贡献最大. 河流梯级筑坝作用对沉积物中有机碳的影响表现为外源有机碳的拦截和内源有机碳的积蓄两个方面, 并且内外源有机碳分布存在明显的空间异质性.

    研究论文
    硼含量对 FeCoNiCrAl$_{\bf 0.1}$B$_{ x}$ 高熵合金组织和力学性能的作用
    谢亚茜, 陈业新, 马星星
    2021, 27(2):  280-288.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2161
    摘要 ( 1226 )   HTML ( 344)   PDF (12310KB) ( 112 )  
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    研究了硼含量对 FeCoNiCrAl$_{0.1}$B$_{x}$ ($x = 0 \sim 0.1$) 高熵合金微观组织和力学性能的作用. 结果表明: 当硼含量 $x \le 0.03$ 时, FeCoNiCrAl$_{0.1}$B$_{x}$ 高熵合金由单一面心立方(face-centered cubic, FCC)结构的 $\gamma $ 相组成; 而当硼含量 $x \ge 0.05$ 时, FeCoNiCrAl$_{0.1}$B$_{x}$ 高熵合金由 $\gamma $ 相、微量的有序态 FCC 相和硼化物组成. 硼元素的加入, 细化了 FeCoNiCrAl$_{0.1}$B$_{x}$ 高熵合金的晶粒, 提高了合金的抗拉强度, 但也降低了合金的延伸率. 在真空中拉伸时, FeCoNiCrAl$_{0.1}$B$_{x}$ 高熵合金的断口形貌均为韧窝状塑性断口.

    达到Gilbert-Varshamov界的准扭码
    卢啸华, 王永超, 丁洋
    2021, 27(2):  289-297.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2129
    摘要 ( 1295 )   HTML ( 19)   PDF (230KB) ( 77 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

    准扭码是循环码的一种推广, 1-生成准扭码同构于多项式剩余类环的1-生成子模. Gilbert-Varshamov界是衡量准扭码好坏的一个重要标准. 利用不可约多项式的性质得到任意的一个1-生成准扭码, 有很大概率渐进达到Gilbert-Varshamov界.

    单分子二极管整流特性的第一性原理计算
    袁莹, 李惟驹, 陈竞哲
    2021, 27(2):  298-306.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2148
    摘要 ( 1381 )   HTML ( 20)   PDF (2669KB) ( 179 )  
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    在分子电子学领域中, 设计分子的结构可以实现特定的功能. 单分子二极管的整流行为是极具吸引力的器件功能之一. 研究了对称分子和非对称分子结的电子输运, 分别对应为四苯基和二嘧啶基二苯基单分子结, 二者均是共价结合到两金属电极. 与其同源对称嵌段相比, 非对称二嵌段分子表现出明显的整流行为, 且电子输运方向是从二苯基流向二嘧啶基. 利用密度泛函理论(density functional theory, DFT)和非平衡格林函数(non-equilibrium Green's function, NEGF)结合的第一性原理方法研究了单分子结的电子结构及其量子输运. 电流-电压 ($I$-$V$)曲线的非对称性可以用非对称分子二嵌段在偏压下由于电子态的局域性带来的非平衡效应进行解释. 本理论计算定性上符合其他小组的实验结果, 且尝试了不同的末端接触. 结果发现, 实验中的扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)针尖接触结构会一定程度地抵消非对称分子的整流效应, 而 STM 针尖接触结构的结果分析也符合之前的理论预测.

    不同飞行高度下超声速来流/射流及其相互作用的数值模拟
    邓放, 韩桂来, 刘美宽, 丁珏, 翁培奋, 姜宗林
    2021, 27(2):  307-324.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2147
    摘要 ( 1402 )   HTML ( 21)   PDF (2705KB) ( 77 )  
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    采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程, 研究了不同飞行高度下超声速来流和射流在后台阶相互作用的流场基本结构. 时间推进采用三阶精度Runge-Kutta格式, 分别应用五阶精度加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式、六阶精度中心差分格式来离散对流项和粘性项, 并应用MPI非阻塞式实现并行化. 采用两步后台阶模型分别研究了不同高度下超声速后台阶流动、 射流的基本结构特征; 并进一步组合两种流动, 研究了超声速来流/射流组合流动下相互作用的流场结构. 通过改变后台阶上方来流条件, 模拟了不同飞行高度的环境, 研究了其对流场中涡、剪切层、激波等结构的影响. 研究结果发现, 超声速来流和射流发生相互作用后, 在后台阶附近产生回流区, 超声速来流的存在会对射流的流场结构产生影响.

    L 型碳纤维增强复合材料连接件承载力的渐进损伤分析
    都亚鹏, 胡晓郁, 楚海建
    2021, 27(2):  325-335.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2126
    摘要 ( 1255 )   HTML ( 17)   PDF (5438KB) ( 82 )  
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    从试验与计算两个方面, 对比研究了 L 型碳纤维增强复合材料连接件(carbon fiber reinforced composite connector, CFRCC)的失效形式和极限承载力. 结果表明: ① 在拉伸载荷工况下, 复合材料 L 型 CFRCC 失效形式主要为圆角处的分层和开孔周边基体破坏; ② 对比两种失效准则和两种退化准则的不同组合, 发现在有限元分析中采用混合失效准则和 Camanho-Matthews 刚度退化准则的渐近失效分析方案可以较好地模拟实验现象; ③ 将有限元分析模型及其模拟获得的参数应用于预测不同辅层顺序和圆角半径的 L 型 CFRCC 性能, 与试验结果吻合良好, 极限承载力误差为 9.4%. 建立的"设计-试验-模拟-预测-验证"分析方法及其获得的结果可为复合材料 L 型构件的强度设计提供借鉴.

    不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟
    高俊丽, 徐宏飞, 袁川, 曹威
    2021, 27(2):  336-346.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2128
    摘要 ( 1071 )   HTML ( 14)   PDF (3826KB) ( 69 )  
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    为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性, 通过对比室内拉拔试验, 运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code, PFC$^{\rm 2D})$, 模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验, 得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面的拉拔应力明显优于光面土工膜($h=0$ mm)与砂土界面; 界面极限拉拔应力随着加肋高度的增加而增大, 随着温度的升高而减小; 界面摩擦系数随着温度的升高而减小. 还从细观角度(颗粒位移和内部接触力)模拟研究了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面附近砂土颗粒的位移较大, 颗粒整体向左上方移动, 而肋块后部上方的砂土由于法向应力作用向下运动; 随着温度的升高或者加肋高度的减小, 加肋土工膜与砂土界面附近的颗粒位移变大, 稳定性变差; 拉拔模型内部左侧的接触力较大, 加肋土工膜附近的接触力也较大, 并向上下两边逐渐减小; 随着加肋高度的增加或者温度的降低, 加肋土工膜与砂土界面附近土体内部的接触力明显增大. 研究结果从宏观到细观较全面地描述了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的全过程.

    方钢管混凝土柱-H 型钢梁全螺栓连接节点抗震试验及有限元分析
    陈靖远, 杨锋, 丁鑫标, 王培成
    2021, 27(2):  347-359.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2130
    摘要 ( 1237 )   HTML ( 17)   PDF (7470KB) ( 80 )  
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    分别按照中、美两国规范中不同的加载制度, 对 3 根方钢管混凝土柱-H 型钢梁全螺栓连接节点试件 进行反复低周荷载试验. 结果表明, 此类节点的滞回曲线、骨架曲线与焊接节点相比具有明显的特征. 由于隔板翼缘相对滑移, 滞回曲线均出现水平段, 呈"捏缩形状". 对比试验结果也发现: 在全螺栓连接节点的试验中, 由于滑移段的存在, 按照位移角控制的加载制度的试验数据更为完整, 优于按"两阶段"控制的加载制度. 利用 ABAQUS 有限元软件, 对反复低周荷载作用下方钢管混凝土与钢梁全螺栓连接节点的受力性能进行计算与分析, 验证了试验结果的准确性, 并通过刚度退化、延性指标及总承载力退化系数对节点抗震性能进行了分析. 同时也提出了因存在隔板翼缘相对滑移, 在评判过程中对这些指标加以修正的建议.

    基于改进型遗传算法的混流U型装配线第二类平衡问题
    彭运芳, 梁玉珍, 夏蓓鑫
    2021, 27(2):  360-368.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2165
    摘要 ( 1380 )   HTML ( 20)   PDF (1092KB) ( 168 )  
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    针对最小化生产节拍的第二类混流U型装配线平衡问题, 构建了混合整数规划模型, 并设计了改进型遗传算法求解. 在遗传算法的解码过程中, 采用3种搜索方式将工序分配到工作站, 比较了3种搜索方式下的工作站时间, 并参照期望生产节拍值筛选出最优的工作站分配方式, 再根据分配方式的寻优情况判断是否自动更新期望生产节拍值. 通过大量的标准算例, 证明了改进型遗传算法的有效性. 最后, 结合实际案例分析, 再次验证了混合整数规划模型和改进型遗传算法的有效性.

    Co-Mn 金属有机骨架衍生的双金属硫化物及其在锂离子电池负极材料中的应用
    陈恒桥, 吕丽萍, 吴明红
    2021, 27(2):  369-378.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2157
    摘要 ( 1385 )   HTML ( 21)   PDF (9699KB) ( 188 )  
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    介绍了一种通过简单的室温搅拌合成具有多孔结构的 Co-Mn 金属有机框架(metal-organic-framework, MOF)材料的方法, 并对制备的双金属 MOF 进行气相硫化, 得到多孔 CoS$_{2}$/MnS 双金属复合材料. 与相同方法制备的单金属 MnS 与 CoS$_{2}$ 材料对比 发现, CoS$_{2}$/MnS 双金属复合材料表现出了类似花瓣状的多孔片状结构以及更小的粒径, 在作为锂离子电池电极材料使用时表现出了最好的储锂性能. 这主要归因于类花瓣状的多孔结构: 一方面为锂离子提供了更短的传输路径以及更多的接触 位点; 另一方面也缓解了材料锂化/去锂化过程的体积变化. 此外, 两种金属硫化物的有机结合也抑制了材料在循环过程中由于体积变化而导致的容量快速衰减. 最后, MOF有机配体衍生的碳骨架也为增强材料的导电性起到了积极的作用.

    双金属离子水热催化转化葡萄糖制备乳酸
    李航伟, 杨翔, 罗小飞, 郭晓亚, 孔令照
    2021, 27(2):  379-388.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2152
    摘要 ( 1431 )   HTML ( 17)   PDF (1340KB) ( 129 )  
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    选择不同的双金属阳离子作为催化剂, 在碱性条件下用于水热转化葡萄糖制备乳酸, 发现Sn$^{2+}$和Cu$^{2+}$具有一定的协同作用. 研究了反应温度、时间、碱加入量和金属离子比例对乳酸产率的影响, 获得最优工艺条件如下: 0.025 g葡萄糖, 2 mmolNaOH, $n$(Sn$^{2+})$:$n$(Cu$^{2+})$=0.25:0.75(共1 mmol), 20 mL水, 200 ${^\circ}$C反应温度, 3 h反应时间. 在最优条件下, 乳酸产率为64.1%, 甲酸产率为20.3%, 乙酸产率为11%. 选用几种模型化合物作为反应的中间产物进行水热转化实验, 并根据实验结果对水热转化葡萄糖的转化机理进行了探究. 结果发现, 转化过程中重要的中间产物为果糖、1,3-二羟基丙酮和丙酮醛. 两种金属离子存在协同作用, Cu$^{2+}$抑制了乳酸的分解, Sn$^{2+}$提高了丙酮醛转化为乳酸的转化效率, 最终提高了乳酸产率.

    云南宣威肺癌高发区固体燃料燃烧排放颗粒的物理化学特征
    肖凯, 彭加仙, 谢婷婷, 曾俊扬, 姚传贺, Myat Sandar Win, 吕森林, 王青躍, Yonemochi Shinich
    2021, 27(2):  389-399.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2156
    摘要 ( 1491 )   HTML ( 26)   PDF (1102KB) ( 84 )  
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    在云南宣威肺癌高发区采集了固体燃料(煤炭、木材)燃烧排放的大气颗粒物样品, 利用扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)、能量色散X射线光谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDX)对796个颗粒物进行了分析. 根据颗粒物的显微特征和化学元素组成, 将其分为矿物颗粒物、飞灰、烟尘集合体和未识别颗粒物4类. 采用$P(X)$值法将矿物颗粒物进一步分为富Si、富S、富Ca、 富Fe、富Ti、富Al、富Na和其他8种不同类型, 其中富Si、富Ca、富Fe、富S分别占燃煤颗粒物和生物质颗粒物的44.47%, 20.49%, 8.85%, 1.22%和55.91%, 17.27%, 6.36%, 2.27%. 化学元素分析结果显示: 颗粒物中Al, Fe, Ca, Mg等地壳元素的质量浓度较高, 重金属化学元素的质量浓度较低; 煤炭燃烧排放的颗粒物的化学元素分析结果与单颗粒分析结果之间存在较好的正相关关系($R^{2}=0.63$).

    MnO@CoMn$_{\textbf{2}}$O$_{\textbf{4}}$/N-C纳米线复合材料的制备及其作为锂离子电池阳极材料的电化学性能
    程二波, 王尚岱, 黄守双, 陈大勇, 胡张军, 陈志文
    2021, 27(2):  400-410.  doi:10.12066/j.issn.1007-2861.2155
    摘要 ( 1428 )   HTML ( 15)   PDF (2392KB) ( 151 )  
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    过渡金属氧化物作为锂离子电池(lithium-ion batteries, LIBs)阳极材料时具有较高的理论容量, 但因其电导率低, 以及充放电过程中的体积膨胀效应常会导致容量的快速衰减. 碳包覆是提升金属氧化物导电性的有效方法, 二者之间的协同效应也可以有效提升材料的电化学性能. 以MnO$_{2}$纳米线为模板制备出MnO$_{2}$@ZIF-67有机-无机杂化纳米结构, 再通过退火处理合成了氮掺杂碳包覆的MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$纳米线复合材料(MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$@N-C). ZIF-67的有机配体在高温煅烧过程中发生碳化反应, 产生了氮掺杂碳, 提升了导电性. 当作为锂离子电池阳极材料时, MnO@CoMn$_{2}$O$_{4}$/N-C纳米线复合材料在0.1 A/g电流密度下的首次放电比容量为1 594.6 mA$\cdot$h/g, 并且在100次充放电循环后的放电比容量仍保持在 925.8 mA$\cdot$h/g, 在0.5 A/g电流密度下经200次充放电循环后的放电比容量仍维持在837.6 mA$\cdot$h/g, 同时具有优异的倍率循环性能. 这种优异的电化学储能特性主要来源于复合材料的特殊结构, 以及氮掺杂碳的包覆.