自第一次工业革命以来，包括石油、煤炭和天然气在内的碳基化石燃料已经成为人类日常生活中不可或缺的能源。随着人口激增和工业扩张，当前人类面临着严重的能源危机、显著的气候变化和巨大的环境挑战。根据美国能源信息署发布的2023年国际能源展望（
https://www.eia.gov/outlooks/ieo/data.php，IEO2023），到2050年，全球总能源消耗将从2022年的637.8千兆BTU增加34.1%至854.7千兆BTU。能源供应的减少和环境成本的不断增加引起了科学家们对可持续能源技术的关注。因此，新型的能源技术，包括燃料电池、金属-空气电池和电解水成为了近年来研究的热点。
燃料电池是一种可在不需要燃烧的情况下，将化学能直接转化为电能的电化学能源设备。如
图1（a）所示，其工作原理是将燃料（例如H
2）在阳极氧化，产生电子和酸性电解质中的H+或碱性电解质中的H
2O，然后电子流向阴极，将O
2还原为H
2O或OH−。燃料电池可以突破卡诺定理的限制，在能源效率和环境影响方面优于柴油或天然气发动机。金属-空气电池是一种电化学电池，由金属阳极、外部空气阴极和通常是水性或非水性电解质组成，如
图1（b）所示。在放电过程中，金属阳极被氧化，同时在空气阴极中氧气还原。金属-空气电池的比能量密度远高于目前的锂离子电池，如理论能量密度为3463 Wh/kg的锂空气电池和1085 Wh/kg的锌空气电池，使其成为能源存储领域具有前景的候选者。与燃料电池和金属-空气电池类似，电解水采用双电极系统，如
图1（c）所示，其中H
2和O
2分别在具有0 V标准电势的阴极和1.23 V标准电势的阳极生成。因此，理想的水电解槽需要1.23 V的电压来分解水。由于水的丰富和零温室气体排放，电解水已经得到了广泛的研究。
氧还原反应（ORR）、氧气析出反应（OER）和氢析出反应（HER）是燃料电池、金属-空气电池和电解水的核心反应。然而，ORR/OER/HER缓慢的动力学导致较高的过电势和性能下降，阻碍了这些可持续能源技术的广泛应用。当前ORR/OER/HER催化剂多采用贵金属基材料。但是，贵金属的低地壳丰度、高昂价格和稳定性不足阻碍了它们广泛的商业化应用。例如，在燃料电池长时间运行过程中，碳载体的腐蚀和Pt纳米颗粒的迁移、团聚、溶解及中毒等，易导致商业Pt/C催化剂电化学活性表面积的下降和性能的逐渐退化。而在长时间的电解水过程中，阳极RuO2和IrO2在高电位下易被分别氧化成RuO4和IrO3。因此，迫切需要开发新型高活性、高稳定性和低成本的非贵金属基电催化剂。
相对于贵金属，具有低成本、高比表面积、优秀的力学和电学性能的碳纳米材料（包括一维碳纳米管和碳纳米纤维、二维石墨烯和三维纳米多孔碳等）被认为是一类非常有潜力的无金属电催化材料。单纯的碳材料所展现出来的电催化活性与贵金属催化剂具有一定的差距。通过改变碳原子的电子构型和/或调节其自旋角动量、掺杂非金属杂原子和创造结构缺陷（如原子空位、边缘）等策略，可以改变表面碳原子的电学性质和几何特性，在石墨碳材料的骨架中产生更多的催化活性位点，从而显著提高碳基电催化剂的电化学性能。尽管目前报道的一些碳纳米材料的单一催化性能可与商业贵金属基催化剂相媲美，但高性能、多功能碳基电催化剂的开发仍然是一项富有挑战性的工作，尤其是鉴别碳基电催化剂的活性位点和阐明其相应的催化反应机制，这对于指导碳基电催化剂的设计和推进其实际应用至关重要。
我们课题组于2019年报道了一种具有丰富边缘缺陷和超高比表面积（1793 m2 g-1）的N掺杂超薄碳纳米片，它在ORR、OER和HER过程同时展现出优异的催化性能和长期稳定性，结合实验研究和理论计算进一步确定了位于Armchair型石墨烯结构边缘缺陷处且与石墨N相邻的碳原子（A-1构型）为ORR、OER和HER的活性位点（Energy & Environmental Science, 2019, 12(1), 322-333）。该论文自发表以来被引用次数已达1000余次，并在2018－2022年环境科学领域研究论文中获得引用数最多的中国学者论文排名的第8名。
通过将杂原子掺杂进碳骨架中引发电荷重分布，改变O2的化学吸附特性，并有效削弱O-O键，进而提高ORR活性。同时，掺杂杂原子的碳也是一种具有广泛应用前景的OER和HER电催化剂。除了碱性电解质，碳基电催化剂在酸性介质电解水也得到了广泛的研究。然而，仍然存在较大空间提升碳基电催化剂的催化性能，特别是在碱性电解质的HER和在酸性介质的ORR电催化。鉴于此，科学研究人员提出了多种创新策略来提高碳材料的活性，包括提高本征活性和增加活性位点密度。针对本征活性，除杂原子掺杂以外，还发展了边缘官能化和内部缺陷工程等方法，通过调节碳原子的电子结构提升其催化性能。而针对增加活性位点的策略包括纳米结构化、多孔结构设计以及三维形态构建等。
由于碳基电催化材料具有重要的科学意义和实用价值，以ORR/OER/HER电催化剂为研究对象的碳基材料近几年得到了蓬勃发展。2015年以来，从Web of Science检索到的数据表明碳基电催化材料的研究论文大幅增长，以多功能碳基电催化材料为主题的文章数量逐渐增加（
图2），彰显了该领域研究的持续热度和全球影响力。
目前，尽管碳基电催化剂方面取得了较大进展，但仍然存在诸多难题有待解决。
（1）碳基电催化剂性能仍存在较大的提升空间。尽管许多研究报道在碱性电解质中碳基材料的ORR或OER活性优于商业催化剂，但在酸性介质中的ORR活性和碱性溶液中的HER活性，与贵金属催化剂仍有差距。即使对于碱性电解质体系，合成比Pt催化剂具有更好ORR活性，并同时具有优越OER活性的双功能碳基材料仍是一项挑战性的工作。
（2）碳基催化剂的组成、结构和活性位点缺乏精确的控制。例如，吡啶N、吡咯N和石墨N等不同掺杂构型通常共存于制备的N掺杂碳催化剂中，而要可控地生成特定目标类型的氮则相当困难。在精确控制无金属碳基催化剂中杂原子掺杂的浓度/位置、缺陷的结构/数量/位置等方面也存在相同的问题，这阻碍了高性能碳基电催化剂的设计和开发。
（3）碳基电催化剂实用化之路仍然有很长的路要走。目前在实验室中开发的大多数碳基材料仅通过电催化活性测定，还需要在实际的器件上评估其综合性能和经济效益。同时，许多合成方法需要在高温、高压等苛刻的条件才能实现特定的组成、结构和形态。此外，相对昂贵的化学原料阻碍了大规模生产和商业化。因此，无论是在电催化性能上，还是在商业化和环境方面，迫切需要简便、环保的合成方法，以制备与贵金属相竞争的碳基材料。另一方面，碳基材料的长时间稳定性需要优化，衰减机制也需要进一步研究。
作为可持续能源应用的关键材料，碳基材料仍处于快速发展阶段，挑战与机遇并存。未来的研究工作可以通过综合策略进一步优化其性能，包括引入更高级别的有益杂原子掺杂和表面官能团，构建具有大表面积和独特形态的三维多孔纳米结构以最大限度暴露活性位点，以及复合其他活性物质并工程化其界面以加速电荷传输等。此外，还需要进一步加深碳基材料的电催化反应原理和衰减机制的基础理解。需要开发新方法以实现最大限度地利用活性位点，提出创新方法以延长碳基电催化剂在实际设备中的运行时间。随着这一领域的持续发展，相信在不远的将来会见证基于碳材料的可再生能源利用的革命。
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