【进展概述】
2025年以来，武汉纺织大学化学与化工学院、纺织新材料与先进加工全国重点实验室徐卫林院士团队的万骏教授，以通讯作者身份联合中国科学院、华中科技大学、电子科技大学、迪肯大学等单位，围绕清洁能源与功能纤维材料领域在InfoMat、Angew. Chem.、Virtual Phys. Prototy.、Chinese J. Catal.、Chem. Eng. J.等期刊发表高水平论文13篇。本期遴选的9项代表性成果，涵盖微波诱导的结构构筑、二维材料界面集成及极端环境下的功能响应调控等方向，集中展现出团队在材料结构演化与多尺度界面调控方面的持续突破。
团队长期聚焦能源转换材料、功能特种纤维等前沿方向，逐步形成以微波热工程调控、纤维降解与界面构筑、耐高温与中红外热管理为核心的研究体系。主要以复杂服役环境为应用背景，以基础研究为驱动，持续推进功能材料在极端条件下的应用性能、稳定性与集成适应性研究，为国家战略装备与新型纤维系统构建关键材料平台提供技术储备。
【文章内容】
（一）水兼容界面构筑实现可逆干湿转换纤维基水下应变传感
论文信息：X. Ma1, Z. Wu1, H. Tian1, G. Fang1, J. Dai1, T. Ding3, W. Xu1, H. Jin2,* X. Xiao3,* J. Wan1,*, Durable coaxial fiber-based underwater strain sensor with reversible dry-wet transition. InfoMat 2025, e70030. (IF=22.7)
在极端水环境中，柔性水下应变传感器作为多场景关键部件，在深海勘测、两栖装备、智能穿戴系统等高端应用中承担核心信息获取功能。现有器件普遍依赖外覆防水封装层实现水相隔离，尽管短期稳定，但在长期服役与频繁干湿循环条件下易出现热胀冷缩引起的界面剥离、电子失效与结构变形等问题，严重限制了器件在高湿腐蚀、动态负载等复杂环境下的适应性。因此，如何构建一种本征具备“水相相容性”且可在干湿转换中维持界面完整性与电学连续性的功能材料体系，是当前高性能水下传感器发展的关键科学挑战。
本研究提出一种突破传统“疏水阻隔”策略的“水相兼容”界面设计路径，通过同轴湿法纺丝构筑铜氨纤维（CR）与Ti3C2Tx MXene的原位耦合结构，实现不依赖外覆防护层的柔性水下传感功能。铜氨纤维分子链中丰富的羟基与氨基在水环境中可构建动态氢键网络，有效增强湿态力学稳定性与传感灵敏度；而在干态下则通过快速脱水恢复MXene导电路径，保障信号响应的稳定可逆性。此外，CR中铵根基团诱导的MXene凝胶化反应进一步增强了纤维–导电层界面致密性，有效提升了器件在高频干湿循环中的稳定性与电导保持率。该成果首次在传感器结构设计中实现材料级水相兼容性，为极端海洋环境下无需外部封装的柔性智能感知系统提供了高度集成的解决方案，构筑了面向未来极端环境电子纤维系统的关键材料基础。
（二）二维皮肤纤维界面结构提升柔性储能器件界面稳定性
论文信息：G. Fang1, X. Ma1, R. Hu2, J. Dai1, H. Tian1, L. Li3,* W. Xu1, Y. Yao2,* J. Wan1,*, Horizontally oriented 2D skin structures on fiber interface for long-life flexible energy storage devices. Chem. Eng. J. 2025, 509, 161557. (IF=13.4)
随着智能穿戴设备、高柔性能源系统与轻量化储能模块的快速发展，柔性储能器件面临长期机械扰动下的界面剥离、活性衰减与电荷传输失效等挑战，核心问题在于功能层与柔性碳基底之间难以兼顾机械粘附力与电学连通性。碳纤维（CF）作为主流柔性基底，虽具优异导电性与强度，但其表面惰性化学特性与局部界面应力集中使得传统纳米颗粒沉积或垂直阵列构筑策略在动态环境中极易失效。构建具备强界面耦合、低电阻通道与优异机械柔韧性的二维导电结构，成为延长器件寿命、提升储能密度的关键科研命题。
本研究提出“二维皮肤结构”（2D skin architecture）构筑策略，借助微波刻蚀-盐模板辅助气相聚合路径，在CF表面定向诱导Ppy/a-Nb2O5纳米片水平生长，形成类“竹鞘”状连续导电膜层。该结构在垂直方向通过氢键增强界面结合强度，在水平方向提供低阻连续通道，显著优化了电荷迁移与离子传导路径。实验表明，该结构展现出超高面电容（1730.45 mF cm-2）、优异的机械循环稳定性（10,000次循环电容保持率达97.35%），在动态弯折状态下仍保持稳定能量输出，可稳定驱动多类型可穿戴电子模块。本成果不仅首次在碳纤维基底实现二维水平导电结构的有序构筑，也为未来柔性储能系统在服役寿命、系统稳定性与功能拓展方面奠定界面工程基础，是服务于柔性电子与纤维储能一体化发展的关键材料技术储备。
（三）3D打印驱动极低温能量存储集成系统
论文信息：S. Qin1, J. Dai1, H. Tian1, H. Zhang1, J. Huang1, T. Guan1, W. Xu1, J. Wan1,*, 3D printing driving innovations in extreme low-temperature energy storage. Virtual Phys. Prototy. 2025, 20, e2459798. (IF=10.2)
在极地勘测、深空探测与高寒地区能源保障等场景中，能源存储系统需在–40°C甚至更低温度下仍保持稳定性能。然而，低温环境显著抑制电解质离子迁移率、电极界面电荷传输效率及材料柔性结构的完整性，导致器件易出现容量骤降、界面失稳与循环寿命严重受限的问题。现有材料系统虽在低温电解质、电极活性物质开发等方面取得进展，但整体器件层级的结构优化与高集成度制造能力仍显不足，亟需新的制造范式支持材料–结构–功能的一体化耦合调控。
本论文研究了3D打印在极低温储能系统构建中的关键优势与未来发展方向，明确指出其在微观结构精确控制、多材料协同构筑与器件级几何定制中的不可替代作用。通过对SLA、SLS与DIW等主流打印技术进行对比分析，文章建立“材料耦合–结构梯度–界面连续”的系统构建模型，展现了其在固态电解质增强、柔性电极网格构建与界面应力缓释等关键环节的集成能力。尤其在DIW技术中，借助可控墨水设计实现柔性介质–导电网络协同构型，为低温离子输运与结构稳定性提供精准调节平台。该研究为实现极端环境下储能系统的模块化、轻量化与智能化提供了制造理论支撑，在服务国家重大科技任务及未来极端场景装备材料储备方面具有重要战略意义。
（四）微波热冲法调控二维LaNiO3非常规相用于高效尿素氧化
论文信息：Z. Wu1, M. Fan1, H. Jiang1, J. Dai1, K. Liu1, R. Hu1, S. Qin1, W. Xu1, Y. Yao2,*, J. Wan1,*, Harnessing the unconventional cubic phase in 2D LaNiO3 perovskite for highly efficient urea oxidation. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202413932. (IF=16.1)
电催化尿素氧化反应（UOR）不仅可实现尿素类污染物的高效转化，更可在耦合氢能制备中作为阳极替代反应以降低能耗，具有污染治理与绿色能源双重战略价值。由于其六电子转移反应路径对催化剂活性中心结构、电子态调控与层间扩散能力提出苛刻要求，传统钙钛矿型催化剂（如六方相LaNiO3）在二维形貌中常因层间距压缩、电荷迁移受阻与反应路径不匹配而表现出有限催化效能。因此，如何构建晶体结构高度对称、轨道杂化强且具备电子通道可拓展性的非常规相态，是提升UOR性能的关键材料科学问题。
为此，团队提出非平衡微波热冲策略，实现二维LaNiO3从热稳定六方相向非常规立方/三角相的精准诱导转化。通过快速微波冲击实现瞬态超热局域高能环境，并辅以淬火技术冻结其亚稳晶体构型，同时保留材料的二维多孔形貌。结构与电子态分析表明，所构建立方相LaNiO3展现出显著的Ni 3d–O 2p轨道重叠增强效应，层间离子扩散速率与电子迁移能力同步提升，最终实现对UOR反应中间体的高选择性吸附与路径加速。该成果首次在二维LaNiO3体系中明确建立“晶体对称性–电子结构调控–多电子催化性能”三者的直接关联关系，不仅拓宽了钙钛矿材料的相工程体系，也彰显了微波热冲策略在调控二维催化剂电子结构与构型耦合中的核心技术价值，为下一代高效污染治理与氢能协同催化材料储备提供了前瞻性平台。
（五）微波热工程构建二维非常规相LaMnO3用于高效析氧反应
论文信息：J. Dai1, M. Wang1, H. Tian1, W. Fan1, K. Liu1, W. Xu1, H. Jiang2,*, H. Jin3,*; J. Wan1,*, Microwave shock–driven thermal engineering of unconventional cubic 2D LaMnO3 for efficient oxygen evolution. J. Mater. Chem. A 2025. DOI: 10.1039/D5TA01034A (IF=10.8)
析氧反应（OER）作为水分解与多种可再生能源电化学过程的速率决定步骤，其复杂的四电子转移路径和高反应能垒使得催化剂在结构、电荷传输与反应界面三方面均需协同优化。钙钛矿氧化物LaMnO3因其稳定骨架与可调Mn电子态被广泛视为非贵金属OER催化剂的重要候选。然而，其传统正交或六方相结构中普遍存在Mn–O–Mn路径断裂、导电性受限及晶格氧活化能力不足的问题，无法有效应对OER对快速电子迁移与中间体吸附能匹配的双重要求。尤其在二维体系中，晶相结构对电子结构调控的主导作用进一步放大，亟需突破热力学稳定性壁垒，构建具备高电子态可调性与晶格氧活化能力的非常规结构形态，解决传统相在反应动力学与电荷耦合上的系统性缺陷。
针对上述瓶颈，团队提出并实现了一种基于微波冲击驱动的“热工程”策略，通过短时高功率微波辐照形成剧烈热梯度与热扰动场，有效诱导LaMnO3由稳定相跃迁至高对称性的非常规立方相（C-LMO），同时保持其二维多孔形貌不坍塌。该策略区别于传统掺杂或高温退火路径，不依赖外源元素扰动，而是利用瞬态热动力学重构原子配位环境，实现晶格对称性的可逆调控。性能评估表明，C-LMO在碱性介质中展现出优异的OER性能，仅需290 mV的过电位即可驱动10 mA cm-2的电流密度，Tafel斜率低至66.21 mV dec-1，显著优于正交与六方相对照样品。该研究不仅系统揭示了非常规相LaMnO3在晶格氧参与机制中的优势，更确立了微波热工程在二维非贵金属催化剂结构调控中的原创性范式，为构建高对称性、可扩展、具高活性的新型OER平台材料提供了理论基础与实验路径。
（六）二维非常规立方相LaMnO3用于碱性海水电解
论文信息：J. Dai1, J. Xian1, K. Liu1, Z. Wu1, M. Fan1, S. Qin1, H. Jiang1, W. Xu1, H. Jin2,*, J. Wan1,*, Unconventional metastable cubic 2D LaMnO3 for efficient alkaline seawater oxygen evolution. Chinese J. Catal. 2025. (IF=15.7)
碱性海水电解被视为实现大规模绿色制氢的理想路径，但析氧反应（OER）中Cl⁻腐蚀、电解质复杂组分与电极界面稳定性之间的矛盾构成了制约其应用落地的关键瓶颈。传统钙钛矿类催化剂虽具备良好电化学活性框架，但其在高盐环境中易发生晶格溶解、电子迁移通道断裂及催化位点流失等不可逆劣化行为。LaMnO3作为代表性过渡金属钙钛矿材料，其常规稳定相在二维限制中呈现层间空间狭窄、电子局域强烈、抗腐蚀能力弱等缺陷，远不能满足复杂电解体系对长效性与反应通量的双重需求。
为突破二维催化剂在极端环境下的稳定性难题，本研究提出基于“恒温非平衡微波诱导+元素掺杂调控”的晶相演化策略，在不依赖高温退火的条件下，利用Co元素掺杂驱动LaMnO3由稳定菱方相向非常规立方相稳定转化，并保持其二维多孔结构的完整性与高反应表面积。该过程中，Co掺杂不仅调控Mn-O电荷分布和键长变化，增强了晶格氧激发能力，还协同提升了晶体对Cl⁻攻击的电荷缓冲能力。所构建C-LMO材料在碱性海水体系中展现出长期稳定的OER催化性能，在高腐蚀性环境中维持电位稳定与结构完整性，表现出工程级的耐久性与抗失活能力。本研究确立了面向复杂环境的二维非贵金属催化剂低温合成与非热力学晶相稳定范式，为发展适配工业级海水电解反应的先进钙钛矿材料提供了具有推广性的构筑方法与性能支撑。
（七）亚稳钙钛矿氧化物的结构调控与合成范式
论文信息：Y. Feng1, J. Dai1, M. Wang1, W. Ding1, H. Zhang1, W. Xu1, J. Wan1,*, Unraveling metastable perovskite oxides insights from structural engineering to synthesis paradigms. Microstructures 2025, 5. DOI: 10.20517/microstructures.2024.115.
亚稳态钙钛矿氧化物作为一类具有极高结构柔性与电子态可调能力的功能材料，在电催化、储能、光电转换等多个前沿领域展现出远超热稳定态材料的综合性能优势。其典型特征如局域对称性破缺、高浓度氧空位、多价态调控与能带结构畸变等，为介导界面反应、调控载流子输运与增强电荷极化提供了多维度调节机制。然而，亚稳结构常在常规合成过程中因趋于热力学稳定性而发生结构坍塌或相转化，严重限制其在器件级应用中的结构保持与性能可预测性。因此，阐明亚稳钙钛矿的结构分类、构效关联机制与非平衡调控策略，成为构建下一代高性能材料体系的基础性理论任务。
本论文系统构建亚稳钙钛矿的结构–性能分类体系，从结构物理角度将其划分为对称畸变型、异质结型、层状型与多价调控型四类核心结构类型，明确各类材料在轨道分裂、离子迁移、界面极化与电荷柔性调节方面的功能作用机制。同时，论文全面归纳了包括固相合成、高压诱导、激光沉积、盐辅助转化与湿化学路径在内的五类亚稳相合成策略，深入剖析各类方法在晶格应力构建、缺陷调控与反应窗口选择方面的优势与限制。通过构建“结构单元–反应路径–性能指向”的系统调控框架，本文不仅为理解亚稳相材料的内在调控机制提供理论支撑，也为其在电化学能源系统、柔性器件与光电催化领域的器件级应用打下材料科学基础，形成面向未来高功能材料设计与构筑的战略知识图谱。
（八）多维度协同调控亚稳态材料助力电催化水裂解
论文信息：S. Qin1, J. Dai1, M. Wang1, H. Zhang1, S. Cheng1, W. Xu1, J. Wan1,*, Huanyu Jin2,*, Unleashing the potential of metastable materials in electrocatalytic water splitting. ACS Mater. Lett. 2025, 7, 524. (IF=9.9)
随着绿色氢能技术的迅速推进，电催化水分解在实现零碳氢气生产中扮演着核心角色。然而，在实际工业应用中，传统热稳定态催化剂在高电流密度、强酸碱电解质与长期循环运行等极端条件下，常面临表面重构失控、电子通道塌缩与活性位点钝化等问题，导致反应过电位升高与催化活性快速衰减。相较而言，亚稳态材料因其独特的结构柔性、动态缺陷调节能力与非平衡电子态结构，可在电催化反应过程中实时适应复杂反应路径并实现多尺度结构重构，是突破现有水裂解效率瓶颈与催化稳定性难题的关键材料体系。
本研究在前期亚稳材料构建工作的基础上，系统提出“五维协同调控”理论模型，从尺寸/形貌亚稳性、晶相亚稳性、电子态亚稳性、缺陷亚稳性与界面亚稳性五个层面，建立亚稳材料在HER/OER双反应路径中的结构调控逻辑。研究发现，尺寸纳米化增强表面积暴露，晶相重构提升电子通道延展性，电子态可调性使d带中心位移与反应能垒匹配，缺陷富集则提高中间体稳定吸附与反应可逆性。更重要的是，界面亚稳结构通过金属-氧化物动态耦合，实现了活性中心自调节与电荷流连续性。通过系统构建“结构维度—性能维度”的构效耦合图谱，本研究不仅揭示了亚稳材料性能提升的核心路径，也为构建高效、稳定、低成本的电催化水裂解材料体系提供了跨尺度理论基础与结构优化范式，服务于未来绿色能源系统关键材料储备的战略部署。
（九）微波热冲法构筑多孔二维非层状碳化物用于高效析氢
论文信息：M. Fan1, H. Tian1, Z. Wu1, J. Dai1, X. Ma1, Y. You1, J. Huang1, Y. Feng1, W. Ding1, H. Jiang1, W. Xu1, H. Jin2,*; J. Wan1,*, Microwave shock synthesis of porous 2D nonlayered transition metal carbides for efficient hydrogen evolution. SusMat 2025, e252. DOI: 10.1002/sus2.252. (IF=18.7)
二维过渡金属碳化物（2D TMCs）因其良好的电子导通性、热稳定性与多电子态调控能力，在析氢反应（HER）中展现出显著潜力。然而，非层状碳化物因晶体结构稳定性强、各向异性弱，使其二维化合成面临动力学障碍，同时在高温条件下易发生团聚或致密生长，难以实现多孔结构与二维构型的共存，严重限制了其比表面积与活性位点暴露度。因此，开发一种在高热环境中依然可实现结构解耦调控、避免团聚并同时维持二维生长的策略，成为非层状碳化物材料在HER领域应用拓展的技术核心。
为解决非层状TMCs材料的二维构建瓶颈，本研究创新性地引入微波热冲合成策略，利用微波场的非平衡加热机制与局域瞬态超热能力，在数分钟内驱动碳化物材料沿二维取向快速结晶，并同步诱导孔隙构建，实现高结晶性、高比表面积与高孔隙率的协同统一。调控金属前驱体分布与碳源扩散速率后，所获得二维多孔结构在结构层级上展现出厚度可控、孔道均匀、导电网络连续等优势，显著提升了反应活性位点暴露与电子迁移能力。所得材料在HER中表现出低起始电位、高电流密度与优异的循环稳定性，验证了微波热冲在高熔点非层状材料形貌重构中的普适性。该成果不仅突破了传统热处理方法在碳化物二维构建中的理论瓶颈，也为极端环境下新型碳基催化剂的开发提供了材料设计思路与快速制备路径，形成面向航天能源、高温电解等战略场景的关键催化材料储备基础。
