课题组催化研究方向聚焦催化材料微纳设计，多相界面调控和多因素耦合下的性能演化研究，阐明界面结构，外场作用及运行工况对电极催化及电池器件的协同增效机制。

未来应对能源危机的最终方案是用可持续和可再生能源取代化石燃料，包括太阳能、风能、水能和地热。为了在运输或固定方式中有效和可靠地利用这些能量，先进的能量存储和转换技术是先决条件，如燃料电池、水分解、太阳能电池、锂离子电池、锂硫电池、金属空气电池、超级电容器。特别地，光/电催化水分解使用由可再生资源产生的太阳能或电能来产生清洁的H2，然后燃料电池直接将储存在氢中的化学能转化为下一代可持续能源系统所需的电力。金属空气电池(例如，锂空气电池和锌-空气电池)可以利用空气中取之不尽的氧气作为呼吸阴极中的反应物，就像燃料电池中的那样，因此导致比目前商业化的电池更高的理论能量密度。目前人们已经进行了巨大的努力来提高这些能量存储和转换技术的性能，其中电化学在一系列电催化中起着关键作用(图一)，包括在金属-空气电池或燃料电池的阴极的氧还原反应(ORR) (图一),在阳极和阴极水电解器中的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)，以及新兴的在固体氧化物电解电池或液体燃料转换装置中的CO2还原和其他能量催化装置。

图一 (a)水分解、燃料电池和(b)金属-空气电池示意图。(三)涉及氢和氧反应的典型极化曲线

然而，这些多相电催化反应涉及多步质子耦合电子转移，并且只发生在三相边界区域，导致动力学缓慢，迫切需要有效的电催化剂。经过几十年的研究，已经证明纳米碳材料在能源电催化中的重要性日益增加。研究人员已经开发了各种纳米碳，并显示出带来令人兴奋的可能性，包括低维基本成员(碳纳米管(CNT)，石墨烯，富勒烯和它们的衍生物)、掺杂的或功能化的纳米碳以及混合的或纳米结构的材料。对于商业和最先进的贵金属基催化剂(Pt/C，Ir/C，IrO2等)，使用纳米碳代替常规炭黑(CB)可以提高金属利用率，减少金属负载，提高稳定性和燃料选择性。当与某些无机物或有机物强烈结合时纳米材料纳米碳可以作为多功能基底来加速3D电子和质量转移，改变复合物生长，赋予组分间电荷转移，产生限制效应或者组装成自支撑电极，从而显著提高性能。更直接地，具有特定杂原子掺杂、分级结构、边缘位置、固有拓扑缺陷或金属氮碳部分的功能化纳米碳被证明是杰出的电催化剂，甚至可与贵金属相比。纳米碳材料见证和推动了能源材料和电催化的发展，远远超过了经典碳材料和其他材料。这是由于独特的尺寸/表面依赖性和易于调节的性质，这些性质对于电催化性能是至关重要的，例如通过杂原子掺杂调节电子结构，通过结构单元的工程整合适应分级孔隙率，以及通过官能团调节表面化学。

到目前为止，本团队以高效、低成本的能源电催化为目标，已经提出了许多具有独特性质和结构的纳米碳基材料（图二）来代替贵金属金属催化剂（Angew. Chem. Int. Ed. 2020 (59) 7928、Adv. Funct. Mater. 2021 (31) 2009109、Angew. Chem. Int. Ed. 2019 (58) 2397、Energy Storage Mater. 2019 (16) 31、Nano Energy 2018 (54) 192、Adv. Energy Mater. 2018 (8) 1801007）。

图二 新型碳基电催化剂