发布：2025-11-27 11:18 来源：新材所

新闻网讯 近日，我校材料复合新技术全国重点实验室木士春研究员在国际材料科学领域顶级期刊《Progress in Materials Science》上发表了题为“Topological-Defect Carbon for Energy Conversion Applications”的重要评述性论文。该论文对木士春研究员团队长期以来在拓扑缺陷碳材料领域的研究成果进行了系统总结，并对拓扑缺陷碳材料的研究历程、可控合成策略、先进表征方法、催化机制及其在多种能源催化反应中的应用前景作了全面评述与建设性展望。论文以武汉理工大学为唯一完成单位，宫蕾和朱加伟为共同第一作者，木士春为唯一通讯作者。

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，能够显著调控碳基催化材料的电子结构与表面化学性质，从而加速其在氧还原反应（ORR）、氢析出反应（HER）、氧析出反应（OER）以及二氧化碳还原反应（CO2RR）等关键能源转换反应的动力学。本文首次从“合成—结构—性能”的整体视角，系统归纳了原子脱除、等离子体刻蚀、化学氧化/刻蚀、球磨法、模板法等多种拓扑缺陷碳构建策略，深入探究了先进表征技术在缺陷识别与电子结构解析中的应用，并结合理论计算揭示了拓扑缺陷碳调控反应中间体的吸附行为。该论文不仅论证了拓扑缺陷碳作为本征活性中心的作用，还进一步揭示了其在锚定和调控金属单原子/团簇等活性物种电子结构中的重要功能，为设计高性能杂化催化材料提供了新思路。

图1：拓扑缺陷碳类型

早在2006年，木士春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碳缺陷，显著提升了材料储氢性能(Carbon 2006, 44, 762-767)。2019年，木士春研究员团队首次通过理论计算与实验验证，揭示了富勒烯衍生的本征五元环缺陷在调控碳材料电子结构、增强氧还原反应活性和提升双电层电容方面的关键作用，为拓扑缺陷碳催化剂的定向设计与性能优化提供了重要理论与实验依据（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 3859）。2024年，该团队进一步研究了碳五元环的本征析氢反应性及与过渡金属的轨道杂化效应（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202411125）。拓扑缺陷碳材料作为一类极具潜力的非贵金属催化剂，随着本论文的发表，必然会更加引起国际材料科学、催化化学及能源等领域研究人员的广泛关注，并为下一代高效、稳定、低成本碳基催化剂的理性设计指明方向。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划项目等项目支持。

《Progress in Materials Science》是国际材料科学领域公认的顶级权威期刊，当前影响因子为40。该期刊专注于发表对材料学科具有重大影响和前瞻视野的系统性评述，以其高学术影响力、严苛的审稿标准和广泛的读者群体著称。本论文的发表是我校材料学科“双一流”建设工程的成果，将对提升我校在材料、化学及相关学科的国际学术影响力发挥重要作用。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2025.101618

文：宫蕾、黄玲林；编辑；谢昕恬；审核：胡泳