理工资讯  信息来源：新材料研究所  发布时间：2026-08-13

近日，我校材料复合新技术全国重点实验室木士春教授研究团队在Cell Press旗下期刊Matter发表题为“Curvature-Directed Electrochemical Reactivity on Topological Carbon”的原创性研究论文。论文以武汉理工大学为第一完成单位，学校博士研究生宫蕾、陈钉、赵宏宇为共同第一作者，木士春教授、余若瀚博士为通讯作者。

拓扑缺陷作为碳材料中由非六元环（如五元环、七元环等）构成的本征结构，能够显著调控碳材料的电子结构和表面化学性质，是突破传统碳基催化材料性能瓶颈的重要途径。近年来，拓扑碳因兼具丰富的本征活性位点及低成本等优势，在氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）、氧析出反应（OER）及二氧化碳还原反应（CO?RR）等能源转换领域展现出广阔应用前景。然而，拓扑缺陷通常与杂原子掺杂、缺陷浓度等因素相互耦合，其催化活性的真实来源长期缺乏明确认识，尤其是几何曲率如何影响拓扑缺陷碳本征催化活性至今仍是材料和化学领域待解的谜团之一。

针对这一科学问题，木士春教授团队创新性地采用离子纳米高压釜构筑策略，成功制备了具有丰富五元环拓扑缺陷的高曲率碳材料，并实现了拓扑缺陷几何曲率的精准调控。团队结合电子断层三维重构、二维STEM曲率定量分析、有限元模拟及第一性原理计算等先进实验表征与理论计算方法，首次揭示了几何曲率通过诱导拓扑缺陷碳表面形成增强的局域电场，促进氧还原反应过程中OH?中间体快速脱附，有效避免活性位点中毒，从而显著提高拓扑缺陷碳的本征催化活性和催化稳定性。据此，提出了“几何曲率—局域电场—催化活性”的全新构效关系。此外，几何曲率在电化学储能过程中同样发挥重要作用。高曲率拓扑缺陷碳亦表现出优异的双电层电容性能，进一步体现了曲率工程在能源转换与储能领域的广泛应用潜力。该研究突破了传统碳主要依赖杂原子掺杂或拓扑缺陷浓度提升性能的设计思路，首次提出“拓扑缺陷曲率工程”这一新的碳材料设计理念，为高性能功能碳材料的理性设计提供了新的理论依据，也为曲率调控功能材料的发展开辟了新的研究方向。

图 A) 高曲率拓扑缺陷五元环碳增强局域电场并促进氧还原反应的作用机制示意图; B-C) 高曲率拓扑缺陷五元环碳的HAADF-STEM图像; D-F) 高曲率拓扑缺陷五元环碳的三维重构图像；G)高曲率拓扑缺陷五元环碳的氧还原性能；H)锌空电池示意图；I)锌空电池性能；J）比电容性能

木士春教授团队长期致力于拓扑缺陷碳材料及其能源催化应用研究，围绕拓扑缺陷碳的构筑、电子结构调控及催化机制开展了持续深入研究。2006年，团队采用微波氢等离子体刻蚀方法成功在碳纳米管中引入拓扑缺陷，显著提升了材料储氢性能（Carbon 2006, 44, 762–767）；2019年，首次结合理论计算与实验研究揭示了富勒烯衍生本征五元环缺陷能够调控碳材料电子结构，增强氧还原反应活性并提升双电层电容，为拓扑缺陷碳催化剂的定向设计提供了重要理论依据（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3859）；2024年，进一步揭示了碳五元环的本征析氢反应活性及其与过渡金属之间的轨道杂化机制（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202411125）。近期，团队又系统总结了拓扑缺陷碳材料的发展历程、可控制备策略、先进表征方法、催化机制及能源转换应用，全面构建了拓扑缺陷碳领域的研究框架，为该领域未来发展提供了重要理论指导（Prog. Mater. Sci. 2026, 157, 101618）。此次发表于Matter的原创研究，则进一步揭示了拓扑缺陷碳本征活性的曲率调控机制，提出的“原子曲率工程”新概念为拓扑缺陷碳材料的研究和发展奠定了新的理论基础。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102958

文：宫蕾、黄玲林；编辑：曹明；审核：胡泳