我国学者在碳基电催化能质传递与转化研究领域取得进展

图 碳基电催化能质传递与转化机制研究。（A）碳基电催化界面多尺度传质路径；（B）纳米碳sp2晶畴尺寸与局域活性位点耦合效应

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52322607、U21A20143）等资助下，哈尔滨工业大学高继慧教授、孙飞教授团队在碳基电催化能质传递与转化研究领域取得进展。相关成果以“碳基催化剂介导的电催化界面多尺度传质（Multiscale mass transfer at carbonaceous catalyst-mediated electrocatalytic interface）”为题于2025年10月27日在线发表在《焦耳》（Joule）；以“揭示sp2晶畴尺寸和局域活性位点在调控纳米碳催化剂氧电还原选择性中的耦合效应（Unveiling the coupling effect of sp2 domain size and local active sites in switching the selectivity of nanocarbon catalysts toward the oxygen electro-reduction）”为题于2025年12月16日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102170，https://www.nature.com/articles/s41467-025-66161-5。

　　碳基电催化剂因功能基元高度可调、成本低廉而备受关注，然而碳基催化能源小分子转化过程，涉及从原子尺度活性位点到纳米尺度传质通道，再到宏观尺度电极构筑的跨尺度复杂耦合效应。准确揭示碳基催化剂单一及多尺度功能基元作用下的传递与转化机制并定向实现高活性、高选择性、高稳定性能质转化是目前研究的挑战。

　　针对上述难题，团队聚焦涉碳电催化物种高效传输需求，提出了碳基电催化界面多尺度传质理论框架，通过建立纳米碳表面传质-反应耦合增效机理、介观孔道限域机制、宏观电极一体化序构策略，为解决气液固三相电催化界面跨尺度高效传质问题提供了理论支撑。进一步，针对碳基催化剂长久以来被忽视的纳尺度晶畴尺寸效应，团队以氧气电催化还原为模型反应，提出了“sp2碳畴尺寸和局域活性位点耦合调控催化选择性”的新机制，揭示了碳基面与点位间的内在协同效应。该研究建立了碳基电催化界面从跨尺度传质环境优化到微观活性点位精准调控的协同路径，为碳介导的二氧化碳还原、氧还原及氮还原等电催化反应提供了理论指导。