發布：2025-11-27 11:18 來源：新材所
新聞網訊 近日，我校材料復合新技術全國重點實驗室木士春研究員在國際材料科學領域頂級期刊《Progress in Materials Science》上發表了題為“Topological-Defect Carbon for Energy Conversion Applications”的重要評述性論文。該論文對木士春研究員團隊長期以來在拓撲缺陷碳材料領域的研究成果進行了系統總結，并對拓撲缺陷碳材料的研究歷程、可控合成策略、先進表征方法、催化機制及其在多種能源催化反應中的應用前景作了全面評述與建設性展望。論文以武漢理工大學為唯一完成單位，宮蕾和朱加偉為共同第一作者，木士春為唯一通訊作者。
拓撲缺陷作為碳材料中由非六元環（如五元環、七元環等）構成的本征結構，能夠顯著調控碳基催化材料的電子結構與表面化學性質，從而加速其在氧還原反應（ORR）、氫析出反應（HER）、氧析出反應（OER）以及二氧化碳還原反應（CO2RR）等關鍵能源轉換反應的動力學。本文首次從“合成—結構—性能”的整體視角，系統歸納了原子脫除、等離子體刻蝕、化學氧化/刻蝕、球磨法、模板法等多種拓撲缺陷碳構建策略，深入探究了先進表征技術在缺陷識別與電子結構解析中的應用，并結合理論計算揭示了拓撲缺陷碳調控反應中間體的吸附行為。該論文不僅論證了拓撲缺陷碳作為本征活性中心的作用，還進一步揭示了其在錨定和調控金屬單原子/團簇等活性物種電子結構中的重要功能，為設計高性能雜化催化材料提供了新思路。
圖1：拓撲缺陷碳類型
早在2006年，木士春采用微波氫等離子體刻蝕方法，成功在碳納米管中引入拓撲碳缺陷，顯著提升了材料儲氫性能(Carbon 2006, 44, 762-767)。2019年，木士春研究員團隊首次通過理論計算與實驗驗證，揭示了富勒烯衍生的本征五元環缺陷在調控碳材料電子結構、增強氧還原反應活性和提升雙電層電容方面的關鍵作用，為拓撲缺陷碳催化劑的定向設計與性能優化提供了重要理論與實驗依據（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3859）。2024年，該團隊進一步研究了碳五元環的本征析氫反應性及與過渡金屬的軌道雜化效應（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202411125）。拓撲缺陷碳材料作為一類極具潛力的非貴金屬催化劑，隨著本論文的發表，必然會更加引起國際材料科學、催化化學及能源等領域研究人員的廣泛關注，并為下一代高效、穩定、低成本碳基催化劑的理性設計指明方向。該研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目等項目支持。
《Progress in Materials Science》是國際材料科學領域公認的頂級權威期刊，當前影響因子為40。該期刊專注于發表對材料學科具有重大影響和前瞻視野的系統性評述，以其高學術影響力、嚴苛的審稿標準和廣泛的讀者群體著稱。本論文的發表是我校材料學科“雙一流”建設工程的成果，將對提升我校在材料、化學及相關學科的國際學術影響力發揮重要作用。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101618
文：宮蕾、黃玲林；編輯；謝昕恬；審核：胡泳