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碳基纳米材料由于具有可控的结构、优异的导电性和化学稳定性、高的活性表面积，被作为电催化剂广泛应用于各种电化学反应中。为了进一步提高碳基纳米材料的电化学反应性，研究人员对其开展了微观结构设计和构筑、异质原子掺杂及缺陷工程调控等研究。其中，缺陷调控是近年来的研究热点。在诸多碳缺陷类型中，拓扑缺陷（如碳五元环、七元环、Stone-Wales缺陷等）已被证明能有效改善碳纳米材料的表面化学态。但拓扑缺陷，尤其是五元环（C5）缺陷能否提升碳基材料的电化学反应性仍缺乏定论。

对此，武汉理工大学木士春教授课题组采用理论计算和实验验证相结合的方法，证明了C5拓扑缺陷对电化学反应性有着显著的提升作用。首先，采用密度泛函理论（DFT）计算结果表明，无论是在碳基面内部或是边缘位置，C5均可诱导碳基的局域电子重排，相较六元环（C6）表现出更窄的带隙、更高的电荷密度分布和更好的氧亲和性，是理想的氧还原反应（ORR）催化活性中心。为了获得C5缺陷丰富的碳材料，课题组研究人员另辟蹊径，选用具有本征C5结构的富勒烯（C60）作为原材料，通过原位碱性刻蚀及高温热处理打开富勒烯框架，获得了含有大量本征C5缺陷的碳材料（PD-C）。为了排除边缘缺陷的影响，研究人员还在相同实验条件下制备了富有边缘缺陷的石墨烯（D-G）。电化学测试结果表明，PD-C相较D-G表现出更高的氧还原活性和稳定性，并具有类似商业铂碳（Pt/C）催化剂的4电子反应机制，从而验证了理论预测结果。

通过对PD-C作进一步氮掺杂，获得的PD/N-C的电荷密度分布和相应N-C5位点的氧吸附能得到进一步优化，使其在碱性条件下的ORR电催化活性达到与商业Pt/C催化剂相接近的水平。作为锌-空气电池阴极氧还原电催化剂，表现出高的功率密度及耐久性。此外，C5缺陷的存在也提升了碳材料的量子电容，结合丰富的孔隙结构，使PD-C表现出优异的双电层电容特性；而掺氮后，又提升了碳材料的导电性和表面可湿性，使其双电层电容得到进一步提高。

该项研究证明了本征五元环（C5）缺陷对碳基材料电化学反应性的重要作用，并进一步揭露了碳基催化剂的催化活性中心。研究成果为设计和构筑新型高性能纳米碳基能源转换与储存材料提供新的思路，将有力促进碳基纳米材料在金属-空气电池、超级电容器、燃料电池、锂离子电池等新能源发电与储能装置中的应用。

相关论文发表在Angewandte Chemie International Edition 上，第一作者为武汉理工大学的研究生朱加伟。华中科技大学张建博士参与了研究工作。

该论文作者为：Jiawei Zhu, Yupeng Huang, Wencen Mei, Chenyang Zhao, Chengtian Zhang, Jian Zhang, Ibrahim Saana Amiinu, Shichun Mu

相关文献：Jiawei Zhu, Yupeng Huang, Wencen Mei, Chenyang Zhao, Chengtian Zhang, Jian Zhang*, Ibrahim Saana Amiinu and Shichun Mu*. Effects of Intrinsic Pentagon Defects on Electrochemical Reactivity of Carbon Nanomaterials. Angewandte Chemie International Edition, 2018, DOI: 10.1002/anie.201813805.