近日，西华大学材料科学与工程学院王滨博士、邱建辉教授团队在碳基催化材料领域取得突破性研究成果，相关研究以“Topological Defects in Carbon Matrix Are Efficiently Constructed by Joule Thermal Shock for Catalyzing the Growth of Carbon Nanotubes”为题，发表于国际知名期刊《Advanced Science》（TOP 期刊，影响因子16.806）。
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该团队长期聚焦于特种碳催化剂的结构设计与催化机制研究，针对传统碳纳米管（CNTs）制备中金属催化剂残留、特种碳催化机制不明等行业痛点，创新性地提出采用焦耳热冲击（JTS）技术构建拓扑缺陷碳（TDC），为高效制备无金属残留 CNTs 提供了全新解决方案，相关技术具备规模化应用潜力。
在碳纳米管催化制备领域，团队突破传统高温 heteroatom 去除法制备拓扑缺陷碳的局限，首创“多次焦耳热冲击”制备策略。以氮掺杂碳为前驱体，通过瞬时加热（最高温度达1225℃）断裂碳 - 氮共价键，同时利用瞬时冷却抑制石墨化重排，高效构建出富含五边形、5757、585 等拓扑缺陷的碳基质。表征结果显示，该方法制备的拓扑缺陷碳（PDTC）缺陷密度（ID/IG=1.09）显著高于传统高温法产物（PDHC，ID/IG=0.94），且微孔体积为传统方法的16倍，为催化活性位点暴露提供了结构基础。
图1 用于展示JTS技术构建拓扑缺陷效率的多维度表征图
图2 基于ReaxFF MD模拟的氮掺杂结构演化过程及PDTC的ACTEM表征
以此类拓扑缺陷碳为催化剂，通过化学气相沉积（CVD）工艺实现了乙炔碳源向碳纳米管的高效转化。该催化剂表现出卓越的催化性能：碳纳米管质量产率高达1100%，远优于传统特种碳催化剂（400%），产物直径集中在30-80nm，为高结晶度多壁碳纳米管（层间距 0.34nm）。对比实验证实，拓扑缺陷是催化碳纳米管生长的核心活性中心，而非材料比表面积等次级因素。
团队进一步通过DFT计算与分子动力学模拟，揭示了拓扑缺陷碳催化碳纳米管生长的协同机制：五边形拓扑缺陷通过电子转移激活碳源分子，其他缺陷辅助调控电荷平衡；激活后的分子在带曲率缺陷表面自组装形成准六元环，经脱氢重排构建亚稳态碳层，最终通过碳层边缘活性进一步自组装生长为碳纳米管。该机制明确了特种碳催化碳纳米管生长的活性中心，解决了长期以来该领域的机制争议。
图3 PDTC催化生长的CNTs形貌、结构表征及其作为导电剂的电化学性能
图4 基于DFT计算的C2H2在不同缺陷上的吸附行为与电子结构分析
图5：基于MD模拟的活化分子自组装过程及CNTs生长机理示意图
在实际应用验证中，该方法制备的碳纳米管作为锂离子电池导电剂，表现出优异的电化学性能。与商用导电剂Super-P 相比，基于该碳纳米管的电极在1C 倍率下循环100次后，容量保留率达 91.3%（商用产品为 88.7%），且库仑效率长期稳定在 99% 以上，电极电阻与电荷转移电阻显著降低，为新能源电池领域提供了高性能导电材料新选择。
该研究不仅证实了焦耳热冲击技术在拓扑缺陷构建中的高效性，更建立了拓扑缺陷与碳纳米管生长的构效关系，为特种碳催化剂的设计与开发提供了理论支撑和技术平台。在xxx材料与表面技术教育部重点实验室的支持下，团队将持续推进该技术的规模化应用研究，为新能源、电子器件等领域提供关键材料支撑。
欢迎国内外研究机构和企事业单位联系洽谈合作，共同推动技术成果转化。
联系人：王滨博士
联系方式：jeasonbin@163.com
作者介绍：
王滨，日本秋田县立大学博士，讲师，硕士生导师。2026年1月起任教于西华大学材料科学与工程学院。主要从事缺陷碳材料的催化与储能相关研究。近年来，在相关领域国际期刊发表论文30余篇，总被引800余次。
