碳纳米管（CNTs）的传统制备依赖于金属催化剂化学气相沉积法，但残留金属会严重影响其在锂离子电池等领域的应用性能。开发非金属催化剂成为重要研究方向，其中特殊碳材料因与CNTs化学同源而备受关注。然而，特殊碳催化CNTs生长的活性中心与具体机制尚不明确。拓扑缺陷作为碳材料中不可避免的结构畸变，可能成为关键催化位点，但其高效构建方法仍面临高温处理易石墨化、缺陷形成效率低等挑战。
论文简介
2026年1月9日，西华大学王斌、日本秋田县立大学邱建辉教授团队在Advanced Science期刊发表题为"Topological Defects in Carbon Matrix Are Efficiently Constructed by Joule Thermal Shock for Catalyzing the Growth of Carbon Nanotubes"的研究论文。本研究提出采用焦耳热冲击技术，即对氮掺杂碳前驱体施加多次瞬时（毫秒‑秒级）超高温脉冲（温度可达1200°C以上）并伴随急速冷却，通过这种极快的热循环有效打断碳‑氮键，同时抑制碳骨架的石墨化重排，从而高效构建富含拓扑缺陷的碳材料。该缺陷碳可作为催化剂，在化学气相沉积中催化乙炔转化为碳纳米管。结合多种表征与理论计算，研究揭示了五元环缺陷通过电子转移活化碳源、多缺陷协同引导表面自组装的生长机制，为开发高性能无金属碳催化剂提供了新策略。
图文解读
图1：焦耳热冲击制备拓扑缺陷碳的结构与化学态表征
通过SEM、HRTEM、Raman、NEXAFS、XPS等表征系统比较了PDTC（焦耳热冲击制备）、PDNC（氮掺杂碳）与PDHC（高温脱氮法制备）的微观结构与化学状态。HRTEM显示PDTC石墨微晶极少，Raman中ID/IG最高，表明其缺陷密度显著高于PDHC。NEXAFS中PDTC的πC=C峰增强，反映拓扑缺陷导致π反键轨道未占据态增多。XPS进一步证实PDTC中缺陷碳含量最高，且残留氮以高键能季氮为主。这些结果一致表明，焦耳热冲击在高效脱氮的同时，成功构建了大量拓扑缺陷，且抑制了石墨化重排。
图2：拓扑缺陷的ReaxFF MD模拟与ACTEM观测
通过ReaxFF分子动力学模拟氮掺杂结构的演化过程，发现吡咯氮和吡啶氮主要转化为含五元环与七元环交替的缺陷（如5757、5775），而季氮可转化为含八元环的585缺陷。模拟得到的缺陷类型与ACTEM观测结果高度一致，图中FFT图像清晰显示出五边形、5775及585缺陷，直观证实了焦耳热冲击可在碳基体中构建多种拓扑缺陷，且模拟方法可靠。
图3：PDTC催化生长CNTs的形貌与电化学性能
PDTC成功催化乙炔生长出直径30--80 nm的多壁CNTs，其产率（~1100%）显著高于PDHC（~400%）。TEM显示CNTs层间距为0.34 nm，Raman表明产物石墨化程度高。将所得CNTs作为导电剂用于磷酸铁锂正极，其倍率性能、循环稳定性与导电性均优于商业导电剂Super‑P，体现了其在实际储能器件中的应用潜力。
图4：拓扑缺陷与乙炔相互作用的DFT计算
通过DFT计算揭示了不同拓扑缺陷对C2H2的吸附与活化行为。五元环缺陷通过电子转移打破C2H2的电荷平衡，使其两个碳原子分别带正负电，实现分子活化，吸附能最低。其他缺陷（如5757、585等）主要表现为物理吸附，对电荷平衡影响微弱，但对活化过程起辅助作用。该计算明确了五元环缺陷在碳源活化中的关键角色。
图5：碳源自组装过程的MD模拟与CNTs生长机制示意图
MD模拟表明，活化后的碳源分子可在无缺陷条件下自组装形成准六元环结构，并在含585、5775等弯曲缺陷的碳表面优先形成准六元环网络，进而通过脱氢重排形成亚稳态碳层。结合VSS理论，提出了"五元环缺陷电子转移活化→多缺陷表面自组装→脱氢形成碳层→边缘继续自组装生长CNTs"的协同机制，并通过时间切片样品表征间接验证了该过程。
总结展望
总之，本研究提出并验证了一种基于焦耳热冲击技术的高效构筑碳基拓扑缺陷的策略，通过多轮瞬时高温-冷却循环，在去除杂原子的同时抑制石墨化重组，成功制备出富含五元环等拓扑缺陷的碳催化剂。机制上，理论计算与模拟表明五元环缺陷通过电子转移激活乙炔分子，其他缺陷协同调节电荷分布，活化分子在具有一定曲率的缺陷表面自组装形成准六元环结构，经脱氢重排形成亚稳碳层，并依托其边缘活性进一步自组装生长为CNTs。性能方面，该催化剂在CNTs生长中表现出高催化活性与选择性，所得CNTs作为锂离子电池导电剂展现出优于商用材料的电化学性能。该工作不仅为理解非金属碳催化CNTs生长提供了清晰的机理框架，也为开发高性能、低残留的碳基催化材料提供了新思路。未来可探索该策略在其他碳源体系与复杂缺陷构型中的普适性，并进一步优化缺陷类型与空间分布以调控CNTs的手性与管径。
文献信息：Bin Wang, Shizhen Dong, Guoan Xie, Yanling Yu, Nuoxin Wang, Huakun Liu, Xian Jian, Jinyang Li, Zuowan Zhou, Jianhui Qiu. Topological Defects in Carbon Matrix Are Efficiently Constructed by Joule Thermal Shock for Catalyzing the Growth of Carbon Nanotubes. Advanced Science， 2026