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近年来，电催化技术在燃料电池、金属 - 空气电池等清洁能源转换与存储领域的战略地位日益凸显。然而，其核心催化剂长期依赖铂、钌等贵金属，不仅面临成本居高不下的难题，还受制于稀缺资源的供应瓶颈。在此背景下，碳基材料凭借可调控的电子结构与低成本优势，成为替代贵金属催化剂的前沿研究方向。经杂原子（氮、硫等）掺杂及缺陷工程处理的石墨烯、碳纳米管等材料，在氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应中已展现出令人瞩目的催化潜力。
值得关注的是，生物质衍生碳材料虽具备原料丰富、环境友好等优势，但其催化活性与金属基催化剂相比仍存在显著差距。深入研究表明，对 sp² 碳域等关键结构参数的调控不足，是限制其性能提升的根本因素。当前，如何通过高效、可规模化的制备手段，实现碳材料局部电子环境的精准调控，并在提升活性位点密度的同时保障电子快速传输，已成为制约该领域技术突破的核心科学问题，亟待学界与产业界协同攻关。
文章概述
2025 年 4 月 18 日，南京林业大学范孟孟副教授联合上海大学王亮研究员团队于国际期刊Nano-Micro Letters发表题为 “Joule Heating-Driven sp²-C Domains Modulation in Biomass Carbon for High-Performance Bifunctional Oxygen Electrocatalysis” 的研究论文。团队提出一种基于闪蒸焦耳加热技术的创新性策略，通过1 秒超高温处理，在氮掺杂椰壳活性炭中实现高密度 sp² 碳域的可控构建，同步提升材料的石墨化程度与催化活性。实验数据表明，优化后的催化剂展现出优异的电催化性能：中半波电位达 0.884 V，性能可与商用 Pt/C 催化剂媲美；过电位仅 295 mV（10 mA cm⁻² 条件下）；应用于锌空气电池时，表现出超过1200 小时的循环稳定性，远超同类生物质碳材料。 结合理论计算，研究揭示了 sp² 碳域的作用机制：其通过轴向调控氮活性位点的电荷分布，优化氧中间产物的吸附能，从而突破了传统生物质碳材料的性能瓶颈。该工作为低成本、高性能双功能氧电催化剂的设计提供了普适性范式，为可再生能源存储与转化领域的催化剂开发开辟了新路径。
研究亮点
图1
如图 1 所示，研究团队通过创新性工艺完成 N-CD 催化剂的制备与结构优化。以椰壳活性炭与 2,6 - 二氨基吡啶为原料，经混合退火获得前驱体 N-CD′，随后采用闪蒸焦耳热处理技术，成功制得目标催化剂 N-CD。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）表征结果显示，相较于前驱体 N-CD′，N-CD 呈现出更为密集且规整的晶格条纹，直观证明其 sp²-C 域含量显著提升。原子级环形暗场扫描透射电子显微镜（ACTEM）进一步佐证了这一结构演变：N-CD 样品中出现大量规则六边形晶格区域，且（002）晶面的快速傅里叶变换（FFT）图谱强度显著增强，明确揭示材料石墨化程度的大幅提高。与之形成鲜明对比的是，所有对照样品仍维持着生物质材料特有的无定形碳结构，凸显出闪蒸焦耳热处理对材料晶型转变的独特调控作用。
图2
图 2 通过 N₂吸附 - 脱附等温线、X 射线衍射（XRD）图谱及拉曼光谱等多维度表征技术，系统揭示了不同样品的结构与成分差异。XRD 分析显示，N-CD 的（002）晶面衍射峰强度显著增强，且特征峰位置向 2θ = 23.2° 偏移，直观表明材料石墨化程度与结晶度的双重提升。拉曼光谱数据进一步佐证该结论：N-CD 的 D₁/G 比值低至 2.38，D₃/G 比值高达 0.41，表明其具备较高石墨化程度，同时存在丰富的几何碳缺陷与氮掺杂位点。此外，X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，N-CD 中氧元素含量显著降低，氮元素含量明显增加，从化学组成层面证实了材料结构优化带来的成分转变。这些结果相互印证，为闪蒸焦耳热处理对生物质碳材料的改性机制提供了全面的实验依据。
图3
图 3 系统展示了 N-CD 的氧还原反应（ORR）电催化性能测试结果。实验数据表明，N-CD 的半波电位高达 0.884 V，与商业 20% Pt/C 催化剂性能相当，且显著优于其他对照催化剂；在 0.3 V 电位下，N-CD 的电流密度亦超过 Pt/C，展现出更高的反应活性。通过 Koutecky-Levich（K-L）方程计算可知，N-CD 的 ORR 电子转移数大于 3.9，接近理想的 4 电子还原路径，这一特性有助于降低副反应并提升能量转换效率。此外，N-CD 的 Tafel 斜率为 99.0 mV dec⁻¹，不仅明显优于对照碳基催化剂，更逼近 Pt/C 的基准值。以上多维度性能指标共同证实，N-CD 在 ORR 催化过程中展现出卓越的活性、选择性与动力学优势。
图4
图 4 系统探究了焦耳加热时间与温度对 sp²-C 域结构形成的调控机制。研究发现，随着加热速率的提升，材料（002）晶面的 2θ 衍射角呈现规律性减小，对应层间距显著增加；同时，拉曼光谱中 I_D/I_G 比值逐步降低，直观反映出活性位点密度的下降趋势。基于上述结构演变规律，团队通过精准调控 sp²-C 域含量与活性位点密度的平衡关系，确定了800 °C、1 秒的优化焦耳热处理条件，该参数下制备的催化剂展现出最优的氧还原反应（ORR）性能。此外，延长加热时间可进一步促进类石墨烯有序结构的形成，为材料的微观结构调控提供了更丰富的优化策略。
图5
图 5 基于密度泛函理论（DFT）计算，深入解析了局部增强的 sp²-C 域对催化活性的调控机制。研究团队构建了包含 N 掺杂石墨烯层与相邻无定形碳层的双层碳模型，通过理论模拟发现，N-CL 催化剂在催化活性火山图中占据峰值位置，直观证实其具有优异的催化性能。进一步分析表明，该催化剂的 OOH 吸附能处于优化区间，显著促进了氧还原反应（ORR）的动力学过程。此外，在氧析出反应（OER）路径中，N-CL 同样表现卓越，尤其是在O 到OOH 的关键转变步骤中展现出最低的能量势垒，有力验证了其在双功能氧电催化中的高效性。这些 DFT 计算结果为实验现象提供了理论支撑，揭示了 sp²-C 域与活性位点协同作用提升催化性能的本质原因。
图6
图 6 展示了 N-CD 作为空气阴极催化剂在锌空气电池中的实际应用表现。采用 N-CD 组装的液态锌空气电池，在 6.0 M KOH 电解液体系中展现出优异性能：开路电压达 1.5 V，峰值功率密度高达 121 mW cm⁻²，两项指标均显著优于商业 20% Pt/C + RuO₂双功能催化剂体系。更为关键的是，该电池在经历 1200 小时连续充放电循环后，性能未出现明显衰减，充分证明 N-CD 催化剂在交替进行的氧还原反应（ORR）与氧析出反应（OER）中，具备卓越的催化稳定性与循环耐久性。这一成果为低成本、长寿命锌空气电池的商业化应用提供了极具潜力的非贵金属催化解决方案。
总结与展望
本研究通过创新的1 秒闪蒸焦耳热处理技术，实现了氮掺杂生物质衍生碳材料中 sp²-C 域的高效调控，同步提升碳结构的边缘缺陷密度与石墨化程度。这种结构优化通过以下机制协同增强催化性能：轴向调控氮活性位点的电子结构，构建高活性催化中心；优化电子传输路径，促进电荷快速转移。半波电位达 0.884 VRHE，与商业 20% Pt/C 相当，动力学电流密度更优（5.88 mA cm⁻²）；10 mA cm⁻² 电流密度下过电位仅 295 mV，展现优异双功能活性；实现超 1200 小时循环稳定性，性能无明显衰减，为已报道最耐用的双功能氧电催化剂之一。密度泛函理论（DFT）证实，sp²-C 域通过轴向电子调控优化氧中间产物吸附能，突破传统生物质碳材料的性能瓶颈。揭示了焦耳热处理诱导 sp²-C 域形成的构效关系；建立了生物质基碳电催化剂的普适性调控策略；为低成本、长寿命能源存储与转换系统提供关键材料基础。拓展不同生物质前驱体的适配性研究；精准调控焦耳热处理参数以优化 sp²-C 域分布；结合理论计算深化电子结构 - 催化性能关联机制，推动高性能碳基催化剂的定向设计。
原文简介：Jiawei He, Yuying Zhao, Yang Li, Qixin Yuan, Yuhan Wu, Kui Wang, Kang Sun, Jingjie Wu, Jianchun Jiang, Baohua Zhang, Liang Wang & Mengmeng Fan. Joule Heating-Driven sp2-C Domains Modulation in Biomass Carbon for High-Performance Bifunctional Oxygen Electrocatalysis. Nano-Micro Lett. 17, 221 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01725-0
通讯作者简介
范孟孟，工学博士, 南京林业大学 副教授，硕士生导师，2019年毕业于南京理工大学，2016-2018年在美国莱斯大学进行交流访问，合作导师为著名纳米材料学家James M. Tour 与Pulickel M. Ajayan教授。2019年11月以“水杉英才”F类，入职南京林业大学化工学院，并加入生物质能源与材料著名专家蒋剑春院士团队。已发表SCI论文30多篇，以第一作者或通讯作者在Advanced materials, ACS catalysis, Applied Catalysis B-Environmental, Carbon Energy, Small, Green Chemistry等著名杂志发表论文25篇。所完成的博士学位论文被评为江苏省优秀博士论文，江苏省复合材料学会优秀博士学位论文，获得低碳技术学会“青年科学家”等荣誉称号。担任《生物质化学工程》青年编委，江苏省低碳 技术学会碳捕集利用与封存专业委员会委员。
王亮研究员 2009-2014年在上海大学完成博士学业和博士后研究，随后留校任教。2018-2019年在美国莱斯（RICE）大学从事访问学者研究。2021年晋升研究员。2022-2023年在新加坡南洋理工大学（NTU）从事访问学者研究。一直开展碳纳米功能材料的绿色可控制备与应用相关研究工作，迄今在Nature Materials、Science Advances、Nature Communications（4篇）、Advanced Materials（4篇）、Materials Today、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano（4篇）和Advanced Functional Materials（2篇）等国际知名杂志上发表SCI论文100余篇，其中热点论文2篇，ESI高被引论文16篇，封面论文8篇，论文他引次数超过8000次，H指数48。主持国家自然科学基金（面上和青年）、上海市人才项目（浦江和扬帆）等多项基金。
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