AMR Account|南京大学胡征教授与吴强教授团队:分级碳纳米笼:开辟能源应用新机遇

碳纳米笼（CNCs）是一类由纳米级空腔与亚纳米级贯通孔道构成的复合拓扑碳材料。这类材料最早在制备富勒烯或碳纳米管时作为“疑似”杂质被观测到，但长期以来学界对其存在认知盲区：多关注其中空腔体，却忽略了笼壁上内嵌的丰富微孔通道，进而将其误称为“中空碳纳米球”等。这一根本性认知偏差，加之纯相合成的技术难题，共同阻碍其独特性能的发掘。因此，不同于富勒烯、碳纳米管、石墨烯及石墨炔等“明星”碳材料，碳纳米笼长期被忽视。

十年前，本课题组发明了原位氧化镁模板法，成功制备出高纯度、组分可调的分级碳纳米笼。其纳米笼单元构筑成有序分级导电网络，形成大孔、介孔与微孔相互贯通的等级孔结构。借助高纯样品与正确结构认知，我们揭示了分级碳纳米笼的三大本征特性：拓扑限域效应、质荷高效协同输运、活性物种高效利用，确立了其作为纳米碳材料独立分支的地位。

本述评明确了碳纳米笼的科学定义，梳理了从三十年前的反应杂质到如今高性能功能材料的发展历程。文章重点总结了分级碳纳米笼的结构特征、功能优势及其在能源领域的最新研究进展，分析了孔结构精准调控、应用领域拓展等方面的挑战与未来方向，为该新兴领域的后续研究提供重要参考。

作者团队：

我们选择深耕碳纳米笼（CNCs）领域，核心初心源于碳纳米管与石墨烯的发展历程带来的深刻启发。本团队长期深耕纳米碳材料领域，熟知碳纳米管与石墨烯正式走入学界视野前的曲折过往——1991年碳纳米管正式报道、2004年石墨烯正式报道之前，均有研究者观测或报道过类似的纳米碳材料，但这些早期发现因表征技术有限、认知存在局限，甚至仅仅因为发表语言的壁垒，未能引起学界的广泛关注，最终被遗憾埋没，错失了被认可、被深入发掘的机会。

这份对过往遗憾的深刻认知，让我们在科研中始终保持敏锐与审慎。因此，当我们成功制备出中空纳米碳材料样品，并通过系统表征发现其壁上内嵌有丰富的亚纳米微孔通道，且意识到这是一个学界长期存在的认知盲点时，立刻联想到碳纳米管、石墨烯早期“被误认、被忽视”的境遇，进而坚定了深耕这一领域的决心。首先我们将这类新材料正式定义为碳纳米笼——由纳米级空腔与亚纳米级贯通孔道构成的复合拓扑碳材料，其核心特征为内部有空腔、内外有通道，以区别于长期以来仅关注纳米级空腔体、却忽略笼壁内嵌微孔通道的“中空碳纳米球”“空心碳壳层”等中空纳米碳材料。我们以体现孔结构特征的碳纳米笼新概念为逻辑起点，通过碳笼单元独特微孔/空腔的拓扑限域效应设计先进性能，借助其组装体易于形成的等级孔结构实现先进性能的高效表达，由此形成与富勒烯、碳管、石墨烯及石墨炔等“明星”纳米碳材料功能互补的新生长点，丰富了纳米碳材料家族的图谱。

作者团队：

基于本团队多年来在碳纳米笼领域的深耕，以及对纳米碳材料发展历程的感悟，我们对碳纳米笼领域的发展抱有清晰且坚定的愿景，核心是让这一曾被忽视的“潜力材料”充分释放其独特价值，避免重蹈碳纳米管、石墨烯早期被埋没的覆辙，推动其从基础研究稳步走向实际应用，为纳米碳材料领域乃至整个新材料产业注入新的活力。

在基础研究层面：我们期望携手全球科研同行，攻克当前领域面临的核心瓶颈——深化对碳纳米笼生长机制、本征性能与作用机理的认知，突破孔结构（尤其是等级孔结构）精准调控、掺杂元素定向设计的技术难关，建立完善的结构-性能关联理论体系。我们希望通过更精准的表征技术、更系统的理论计算，进一步发掘碳纳米笼除拓扑限域效应、高效质荷协同传输之外的潜在特性，丰富其作为纳米碳材料独立分支的科学内涵，让学界对这类复合拓扑碳材料形成全面、深刻的认知，打破过往的认知局限。

在应用转化层面：我们致力于推动碳纳米笼从实验室走向产业化。依托其独特的多级孔结构与本征性能，重点拓展其在能源、催化、生物健康等关键领域的应用场景，例如优化储能器件性能、研发高效单原子催化剂、构建新型光热催化平台等，让碳纳米笼的性能优势转化为实际生产力。同时，攻克分级碳纳米笼宏量制备的技术难题，降低制备成本、提升产品稳定性，打破产业化应用的技术壁垒，让这一高性能材料真正服务于社会发展，助力“双碳”目标实现与新能源产业升级。

在学科发展层面：我们希望通过持续的研究与成果推广，吸引更多科研工作者关注、投身碳纳米笼领域，形成跨学科、跨领域的科研合力，推动碳纳米笼成为与富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等并列的核心纳米碳材料分支。我们也期望通过本述评为领域内青年研究者提供清晰的研究方向与思路，培育优质后备科研力量，推动整个领域朝着更系统、更深入、更具创新性的方向发展，最终让碳纳米笼在新材料领域占据重要地位，为人类社会的科技进步贡献力量。

作者团队：

结合当前领域发展瓶颈与未来愿景，该领域将涌现诸多极具价值的研究机会，主要集中在四个方面：

一是基础研究层面的深化机会。重点包括：碳纳米笼孔结构（微孔、介孔、大孔）精准调控的精细化研究，不同掺杂元素（金属、非金属）的作用机制及定向设计；拓扑限域效应、质荷协同传输的微观机理解析，特别是将分级碳纳米笼易于通过拓扑限域调控性能并实现高效表达的特点，与其优异的光热转化能力相耦合，开辟光热催化研究新天地；分级碳纳米笼的等级孔结构源于碳纳米笼功能基元的序构，这与近年来中国学者提出的“功能基元-序构-变革性性能”材料研究新范式以及“孔材料2.0”的前瞻性理念不谋而合，为基于新范式和新理念的各种前沿探索提供了独特的新材料体系。

二是应用拓展层面的创新机会。除现有能源、催化领域，可探索碳纳米笼在生物医学（如药物载体、生物传感）、高效吸附分离、吸波隐身、柔性电子等新兴领域的应用，开发定制化功能材料，挖掘其多场景应用价值。

三是技术突破层面的攻坚机会。核心围绕分级碳纳米笼宏量制备的低成本、高稳定性技术研发，新型表征技术的优化与应用，以及掺杂、复合工艺的简化与升级展开，全力打破产业化技术壁垒，推动其规模化应用。

四是跨学科融合层面的跨界机会。推动碳纳米笼与材料科学、能源科学、催化科学、计算机科学（如理论模拟）等学科深度融合，例如结合人工智能优化材料设计，借助跨学科技术破解单一领域难以突破的机理与技术难题，催生新型研究方向与技术成果。

作者团队：

回望碳纳米管、石墨烯与碳纳米笼的研究历程，我们深切体会到，科研路上“阳光底下好像没几件新鲜事”。碳纳米管正式报道前，早有类似管状结构被观测；石墨烯被广泛关注前，已有超薄石墨薄片的相关研究；碳纳米笼更是长期被误认作“中空碳纳米球”而被忽视——这些曾被埋没的发现，从来都不是“全新的奇迹”，而是被“习以为常”的思维惰性遮蔽了光芒。科研的核心价值，往往不在于发现“从未有过”的事物，而在于不被固有认知捆绑，不被思维惯性裹挟，主动跳出认知舒适区，去追问每一个“理所当然”背后的细节，去突破那些被长期忽视的研究盲区。唯有始终保持审慎与敏锐，不断打破思维桎梏、提升认知深度，才能从看似熟悉的现象中挖掘出全新的核心价值，让那些曾被忽略的“平凡”，成为推动领域进步的“不凡”，这也是我们深耕碳纳米笼领域十余载最深刻的感悟。

田静宜，2020年在山东大学获得学士学位，随后保送至南京大学胡征教授课题组读研究生，2025年获得理学博士学位，在基于分级碳纳米笼的超低铂质子交换膜电解水析氢催化剂研究方面取得重要进展。现为胡征教授课题组博士后，主要研究方向为低贵高效质子交换膜水电解催化剂的构建、电化学性能及调控机制。

陈逸群，2018年于北京化工大学获得学士学位，保送至南京大学胡征教授课题组读研究生，2023年获得理学博士学位，随后赴香港理工大学开展博士后研究，于2025年加入南京理工大学任副教授。主要研究方向为电化学二氧化碳转化的微环境调控。

吴强，分别于1999年和2004年在南京大学化学化工学院获得学士和博士学位，导师为胡征教授。2006年任南京大学副教授，2015年晋升为教授。曾作为“华英学者”在斯坦福大学崔屹院士课题组作访问学者。主要研究方向是纳米/介观结构材料的设计及其在能源存储与转化中的应用。

胡征，南京大学至诚特聘教授。长期在微纳材料物理化学领域进行探索，在纳米/介观结构新材料的生长机理、材料设计、能源应用及调控机制研究方面取得重要进展，特别在碳纳米笼新材料的创制和性能研究方面作出了系统的创新成果。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，教育部创新团队带头人，中国化学会会士，中国微米纳米技术学会会士，中国微米纳米技术学会微纳复合材料分会理事长，江苏省材料学会理事长。

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