近日，我校能源材料化学研究院赵东元院士团队赵再望教授在仿生介孔材料可控合成及能源储存方面取得重要进展。相关工作以 “Interface-shrunk regulated synthesis of asymmetricultrafine mono-mesopore Nepenthes with tailoredwindow” 为题，于近日发表在Nature Communications（DOI：10.1038/ s41467-026-76745-4 ）。第一作者为我校能源材料化学研究院王杰博士、范宪楷博士、张璐霄博士（共同第一作者），通讯作者为我校能源材料化学研究院赵再望教授，内蒙古大学为第一通讯单位。

研究团队将自然界的非对称结构与定向捕获机制引入合成纳米材料的设计中，为高性能电化学储能器件的理性设计开辟了新路径。研究团队报道了一种具有开窗的不对称超小单介孔碳纳米颗粒（45 nm），壳体上的可控开口窗打破了球形对称性，产生局域电场增强效应，如同猪笼草的“静电唇缘”，为Zn²⁺的定向捕获和富集提供开放通道。由单介孔空腔构成的限域空间，可有效暴露内外表面活性位点并缩短离子传输距离。二者的协同促进了界面电荷转移和离子扩散动力学，在锌离子混合电容器中实现了210 mAh g⁻¹的高比容量。结合原位电化学阻抗谱、DFT计算和有限元模拟，揭示了该仿生开口结构的局域电场增强机制并阐明了非对称构型驱动的离子定向迁移路径。这项工作有望启发新一代仿生储能材料的设计，推动其在电化学能源存储与转换领域的应用。

不对称超小单介孔纳米颗粒的设计思路与合成机理

为将仿生设计蓝图转化为实际储能应用，研究团队设想在超小尺寸纳米颗粒的壳层上构筑可控开口窗，以打破闭合壳层的传质壁垒，实现离子的快速渗透。同时，单介孔空腔结构可增强活性位点暴露并促进反应物/产物的高效扩散，类似于猪笼草的空腔结构对捕获物的有效容纳。聚苯乙烯-聚(4-乙烯基吡啶)-聚环氧乙烷（PS-PVP-PEO）三嵌段共聚物单胶束作为一种结构导向剂，因其在界面处展现出对物理化学刺激（如静电、氢键、亲疏水相互作用）的灵敏响应性，已成为构建介孔材料的功能基元之一。值得注意的是，单胶束作为软物质，其在无机界面的变形行为受界面能调控，类似于细胞膜对胞内压力的响应，可实现动态形状适应。此外，聚多巴胺（PDA）具有强粘附能力和无差别的包覆能力，使其成为构建杂化材料的理想表面涂层。迄今为止，在少数利用单胶束组装构建介孔材料的报道中，所得产物多为闭合壳层或对称结构，缺乏对开口窗的有效构筑。毋庸置疑，软模板法已被广泛证实是合成介孔材料的有效手段。然而，单胶束的界面收缩行为及其对开口窗形成的调控机制尚未被充分阐明。本质上，将超小粒径、单介孔空腔和可控开口窗协同集成于单一平台，构成了实现优异电化学性能的有力策略。

本文亮点

针对传统模板法难以同时实现“超小尺寸（<50 nm）”、“单介孔尺度”与“壳层开口窗”的结构难题，本工作创新性地提出了“界面收缩单胶束组装”策略，在合成方法论上实现了重大突破：

（1） 破解“选择性生长”难题

传统方法中，前驱体往往无差别地包覆整个模板，导致壳层闭合。本工作巧妙利用界面化学能差异：通过DMDMS对SiO₂表面进行精准的–OH向–CH₃疏水改性，使得多巴胺前驱体仅在亲水的单胶束表面选择性聚合，而在疏水的SiO₂表面完全不生长。这一“选择性限域聚合”机制，首次从源头上解决了开口结构构筑的化学障碍，实现了“开口窗”的精准定型。

（2） 建立“静电诱导变形”精准结构调控

与以往通过改变溶剂或温度调控形貌不同，本工作揭示了静电引力驱动软物质界面收缩的全新调控机制。通过简单地调节氨水浓度改变SiO₂表面电势，可精确控制单胶束在无机界面的嵌入深度（压缩量H），从而实现了对开口窗尺寸（15~28 nm）、壳层厚度（7~14 nm）及空腔直径（38~59 nm）的定量化、线性精准调控。这种从“电学信号”到“几何构型”的直接转换，为介孔材料的按需定制提供了前所未有的精度。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-76745-4

（来源：科学技术处      编辑：武涛       审核：李文娟       终审：阿茹娜）