中文标题：仿粘土交叉学科研究赋能新能源新材料
英文原题：A multiscale perspective on cluster-based layered materials: Design and function optimization toward catalytic and energy storage applications
通讯作者：薛冬峰，电子科技大学（深圳）
第一作者：钱彬彬，电子科技大学（深圳）
关键词：层状材料；团簇材料；催化材料；电化学储能材料；仿粘土材料
研究背景
我们正处于世界科技发展的第六波创新高峰，绿色可持续技术、人工智能、机器人、无人机技术等共同构成了创新发展的时代标志，而这些领域的突破都对高效催化和电化学能源技术提出了迫切需求。因此，设计新型催化和储能技术用关键材料等方向受到广泛关注（如图1所示）。对于一个催化反应体系或者电化学能源的物理化学过程而言，核心在于理性构建高效化学反应体系——换句话说，我们所关注的化学反应具有显著的人为因素上的动力学效率提升。
在新材料的设计合成时，如果能够有一个模板作为理论指导，这个过程就会变得很高效。仿生合成就是一种化学家和材料科学家“道法自然”的科学研究方法。随着绿色可持续科技的加速发展，催化和储能领域对新材料的需求与日俱增。在自然界中，土壤中的粘土物质广泛存在，如图2所示，仿粘土矿物研究是向自然学习的典型实践，寻找涉及原子分子微观化学反应的团簇介尺度结构单元和丰富表界面结构，是满足催化和储能领域对新材料迫切需求的有益尝试。
图 2：作为典型粘土材料的高岭土，具有丰富的表界面结构（如硅氧烷表面（硅氧四面体底面互相连结而成的六方网状平面层）、外基底面、层间基底面、边缘面、氧化铝表面等）和介尺度团簇结构单元（Si-O 四面体团簇和Al-O 八面体团簇）
研究成果
国际著名粘土研究专家、美国宾州州立大学Sridhar Komarneni教授和薛冬峰教授的联合研究发现仿粘土结构层状材料凭借其丰富的表界面物理化学特性，在涉及多尺度相互作用的催化和储能领域展现出极佳的适用性。同时，基于介尺度动态结构还是高效率设计合成新型层状材料的关键空间结构单元和核心静电作用平衡调节。粘土结构材料和仿粘土结构材料在晶体工程学方面很好的发挥了团簇零维结构设计和2D平面结构设计的优势，是一个低维材料结构-性能集成创新的理想材料设计合成研究平台。
本文从多尺度角度总结了基于团簇介尺度动态结构的层状材料的设计和组装策略，介绍了多尺度表征和仿真的仿粘土材料平台，讨论了这些基于介尺度团簇结构的宏观层状材料的催化和储能应用新进展。具有介尺度动态结构的团簇可以作为晶体学空间结构单元或客体引入多层材料设计合成中，从而赋予其独特的结构特性和高度可调的物理化学性能，已成为化学化工和材料科学领域的研究热点。
未来方向
尽管这类基于团簇介尺度动态结构的层状材料展现出令人期待的特性，且相关研究仍在不断发展，但若能在以下几个方面突破现有挑战，其迷人特性将为催化和储能领域应用提供更大机会，也将激发更为广泛的科学探索热情。
（1）进一步明确介尺度团簇动态结构的相互作用规律。在介尺度团簇自组装或团簇与层状结构的组装过程中，团簇间的相互作用以及团簇与层状结构间的化学键需要一定的适配度，以保证团簇结构的完整性以及组装结构的强度和稳定性。
（2）进一步设计更为高效的实验制备方法。基于目前团簇基层状材料的湿化学法制备研究，要提高合成效率、精确制备具有特定功能的材料并实现大规模、高质量合成。
（3）进一步完善综合表征平台。需要建立一个综合的多尺度表征平台，利用多种表征技术分析材料的组装过程、团簇与层状结构之间的相互作用和键合配位环境，阐明微观结构与宏观性能之间的关系。
深入探索性能及优化结构。探索团簇基层状材料的新特性和性能是推动该领域发展的动力。虽然其在催化和储能领域中的应用已得到证明，但对其在储能领域中的性能提升机制的理解和探索仍需深化。合理设计和优化材料结构以提高储能能力是值得进一步深入研究的问题。
主要作者简介
薛冬峰 电子科技大学（深圳）高等研究院教授，国家自然科学基金青年科学基金项目(A类)获得者。CrystEngComm、Journal of Crystal Growth及量子电子学报等期刊副主编。研究方向为功能材料多尺度多自由度研究。发表论文700余篇，获IUPAC&NMS国际纯粹与应用化学联合会&新材料及制备杰出奖等奖项。
钱彬彬 电子科技大学（深圳）高等研究院副研究员，中国科学院博士后。研究方向为仿粘土团簇层状材料设计合成及其电化学能源技术研究。发表论文20余篇，参与承担10余项国家级和省市级科研项目,以第一完成人获得2025 年中国材料研究学会科学技术奖基础研究奖。
引用本文
Binbin Qian, Ke Xu, Dantong Zhang, et al.,A multiscale perspective on cluster-based layered materials: Design and function optimization toward catalytic and energy storage applications. Fundamental Research. 5(4) (2025) 1668-1682.
原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325823003667
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