介观化学教育部重点实验室胡征教授课题组在介观结构碳基纳米笼能源转化和存储材料研究方面取得系列重要进展，相关工作最近相继发表于Adv. Mater. 27(2015)3541; Nano Energy 12(2015)657; ACS Catal. 5(2015)1857; ACS Catal. 5(2015)6707; Sci. China-Chem., 58(2015)180等国内外著名学术刊物。

纳米碳材料研究是近三十年来材料科学的前沿热点，‘零维’富勒烯（1985发现，1996获诺贝尔化学奖）、‘一维’碳纳米管（1991发现）、‘二维’石墨烯（2004发现，2010获诺贝尔物理奖）的发现提供了一系列新的碳的同素异形体。碳材料是能源存储与转化领域的基础材料，因此，新型纳米碳材料的发现极大地推动了能源领域的发展。目前，以一维碳纳米管、二维石墨烯为基础的能源应用研究已经成为潮流。

胡征教授课题组主要在‘能源纳米材料物理化学’领域开展研究工作，在碳基纳米结构的生长机理、结构调控、能源及催化功能化研究方面有长期积累。近年来，课题组发展了具有自主知识产权的技术路线，获得了一种以纳米笼为结构单元、按一定有序方式组装而成的‘三维’介观结构碳基纳米笼新材料，该材料集成了高比表面、高导电性、多级孔结构、易于掺杂调变等特点，也避免了二维石墨烯易于π-π堆垛而损失表面的不足（见图1）。

图1. 介观结构碳基纳米笼在不同尺度上的电镜照片。

在前期研究中，该材料已经表现出优良的超级电容性能[Adv. Mater. 24(2012)347]和无金属氧还原电催化性能[Adv. Mater. 24(2012)5593]。最近，该课题组通过简单的氮掺杂，有效地提高了纳米笼的表面浸润性，减小了电荷转移电阻及等效串联电阻，在水系电解液中单位表面的比容量从未掺杂时的11.8 μF/cm²@1 A/g 显著提升至17.4 μF/cm²@1 A/g，氮掺杂纳米笼的比容量高达313F/g@1 A/g，最大功率密度和能量密度分别达到22.22 kW kg ⁻¹和10.90 Wh kg ⁻¹[Adv. Mater. 27(2015)3541]；利用纳米笼的内腔，可将含量高达79.8wt%的硫限域于纳米笼内，作为锂硫电池的正极材料，有效抑制了多硫化物的流失，表现出优异的倍率性能和循环稳定性 [Nano Energy 12(2015)657，封面论文。见图2]；

图2. 左图：介观结构碳纳米笼应用于锂硫电池的研究工作被Nano Energy选为封面论文；右图：缺陷丰富的纯碳纳米笼具有优异的氧还原活性。

用作锂离子电池和钠离子电池的负极材料，也表现出高比容量和高稳定性的特点[Nano Res. 2015. DOI: 10.1007/s12274-015-0853-4]。碳基纳米笼也是一类性能优良的新型载体，通过将酸性介质中具有高氧还原活性的氮化钴（稳定性差）与具有高稳定性的氮化钼（活性差）两者合金化，并高分散于氮掺杂碳纳米笼表面，发展了酸性介质中具有高活性和高稳定性的新型非铂氧还原电催化剂：钴-钼合金氮化物催化剂[ACS Catal. 5(2015)1857]；将具有混合价态的CoOx纳米晶高分散于氮掺杂碳纳米笼表面，所得催化剂在碱性电解液中展现出优异的氧还原活性和稳定性[Sci. China-Chem., 58(2015)180]。缺陷丰富的纯碳纳米笼还为进一步深刻揭示碳基无金属氧还原催化剂的活性起源提供了抓手：该课题组曾提出碳基无金属氧还原催化剂的活性源于活化π电子的学术观点，并通过硼-氮共掺杂碳纳米管的研究予以验证[Angew. Chem. Int. Ed. 50(2011)7132；JACS 135 (2013)1201]。根据活化π电子的机制，碳的本征缺陷也可能引发氧还原活性。最近他们实验发现，缺陷丰富的纯碳纳米笼确实具有与掺杂碳材料相当的高氧还原活性，理论计算表明该活性主要源于Zig-Zag边缺陷及五元环缺陷（见图2）。该进展明确揭示了本征碳缺陷的贡献，并将碳基无金属氧还原电催化剂的研究从掺杂碳材料拓展至缺陷碳材料，据此还可解释文献中有关石墨氮与吡啶氮对氧还原贡献大小的学术争议[ACS Catal. 5(2015)6707]。

该课题组发展的碳基纳米笼以其独特的介观结构及优异的物理化学性质展现出在能源转化和存储领域的巨大潜力。相关研究获得了国家自然科学基金重点项目、面上项目、以及科技部纳米重大研究计划项目的资助。

（化学化工学院 科学技术处）