中国粉体网讯 碳基催化材料凭借原料丰富、结构可调、环境友好等优势，是替代贵金属、有毒金属催化剂的重要方向。但常规碳材料电子结构对称、活性位点匮乏，催化能力受限。缺陷工程为破解这一难题提供了核心思路：在碳表界面精准构建空位、边缘位、杂原子掺杂位点、异质界面与孔限域结构，打破电子分布平衡，创造不饱和配位活性中心，调控反应物吸附与转化路径。长期以来，李星运教授团队围绕碳材料表界面缺陷的可控构筑、构效关系解析以及催化应用展开系统性研究，走出一条特色鲜明的碳基非金属/碳复合催化路线。
锚定四大缺陷构筑路径，从随机改性走向可控设计
团队针对碳缺陷类型建立了完整的技术体系，主要涵盖本征缺陷、掺杂缺陷、异质界面缺陷、多级孔限域缺陷四大研究方向。
以SiC衍生碳为本征缺陷研究起点，团队早期以碳化硅为前驱体，通过高温刻蚀工艺调控碳骨架空位与边缘缺陷，证实碳自身本征缺陷、表面含氧官能团可直接活化乙炔，无需金属活性组分，开发出无汞乙炔氢氯化催化新体系，相关成果刊发于《Nature Communications》，为PVC行业无汞替代提供了全新方案。在此基础上，团队进一步解析该碳催化剂积碳失活机制与再生策略，厘清高温工况下碳缺陷位点的结构演化规律，完善碳基无汞催化剂的稳定性研究。
杂原子掺杂是制造碳配位缺陷的主流手段。团队重点开展氮掺杂碳体系研究，借助生物质热解掺杂策略，在碳骨架引入氮原子改变电子结构；同时构建氮掺杂碳与金属化合物的异质界面缺陷。开发氮掺杂碳层包覆Fe2N催化剂，界面缺陷加速电子传递，碳保护层抑制金属相腐蚀团聚，用于氧还原反应；构筑三维氮掺杂多孔碳锚定CeO2量子点材料，依托碳-氧化物界面缺陷实现甲醛低温活化，面向室内VOCs净化场景；将氮掺杂多孔碳作为成核载体锚定MoOx，利用碳缺陷调控储能材料电化学特性。
团队还拓展了硼氮碳（BCN）三元非金属缺陷体系，将碳掺杂六方氮化硼，构建B、N共掺杂带来的骨架异质缺陷，形成非金属碱性活性位点，应用于Knoevenagel缩合反应，全程不依赖金属组分，证明碳基极化界面缺陷在有机碱催化领域的巨大潜力。
在近期研究中，团队把缺陷工程和空间限域结合，提出多级孔碳内置串联催化新思路。利用大孔、介孔、微孔不同孔道的表界面空间缺陷与吸附能差异，分区锚定活性组分，依靠孔道限域效应匹配串联反应热力学矛盾，实现乙炔氢氯化一步制备氯乙烯，催化剂稳定运行时长突破1200小时，为碳缺陷催化开辟了空间界面调控新范式。
多场景落地，面向环境与能源催化刚需
依托碳缺陷调控体系，团队研究紧扣产业实际痛点，主要应用方向分为五大方向：
乙炔氢氯化制备氯乙烯：团队最具代表性研究方向，持续攻关PVC行业无汞催化替代，从本征缺陷碳发展到多级孔限域串联催化体系；
VOCs及低碳烃低温氧化：氮掺杂碳复合氧化物催化剂，用于甲醛、甲苯、甲烷等污染物净化；
电催化氧还原：碳包覆金属氮化物体系，依托界面缺陷提升ORR性能；
非金属有机碱催化：BCN碳基缺陷催化剂，用于精细有机合成；
储能电极改性：杂原子多孔碳载体，借助缺陷位点锚定金属氧化物，优化锂电材料性能。
10月29-30日，中国粉体网将于2026IPIE上海国际高端粉体装备与科学仪器展览会期间，同期举办“2026第四届低维碳纳米材料制备及应用技术交流会”。届时，青岛大学李星云教授将带来题为《碳材料表界面缺陷构筑及其催化应用研究》的报告，系统介绍碳材料表界面缺陷结构调控策略及其在能源、环保催化领域的高效应用，结合系列表征结果阐释材料构效关系与催化机制，为碳基催化材料的产业化应用提供参考。
李星运博士毕业于中科院大连化学物理研究所，师从包信和院士及潘秀莲研究员。毕业后加入巴斯夫催化剂（上海）有限公司从事汽车尾气催化剂的研发工作。2018年在日本国立材料研究所（NIMS）Yusuke Yamauchi课题组从事为期一年的访问学者研究。现为教授，研究生导师，山东省优青。目前从事能源及环保多相催化研究。在Nature Communications,Angewandte Chemie International Edition等期刊上已经发表论文50余篇，其中高被引论文16篇，影响因子高于10的32篇。主持国家自然科学基金面上基金，山东省优秀青年基金等项目。担任Materials Today Catalysis期刊及Green Carbon期刊的青年编委。
参考来源：青岛大学；国家知识产权局
(中国粉体网编辑整理/九思)
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