电化学氧气还原反应（ORR）是多种能源器件和化工生产的关键技术之一，其推广和应用受制于高效、高选择性、低成本和高稳定性催化剂的开发。在众多材料中，碳基材料被认为是适用于ORR的理想的电极材料之一，可被调控并分别适用于两电子和四电子ORR。

已有研究表明，碳基材料的ORR活性和选择性受化学掺杂、表面氧化、边缘精细结构、碳芳香烃结构变异等因素影响，其在催化调控上仍存在着诸多尚未明确和争议性的科学问题，阻碍着电极材料的精准设计和制备。

近日，福建师范大学的林良旭教授和澳大利亚伍伦贡大学的陈俊教授、西北工业大学的黄维教授合作，以碳布材料为研究对象，通过设计一种由氢原子钝化的扭曲晶格条纹结构，实现了高效、稳定和高选择性两电子ORR反应，通过系统研究阐述了材料扭曲条纹和氢钝化结构在碳材料的电催化活化上和选择性调控中的关键作用，为碳材料的ORR催化机理机制提供了新的理解，并为进一步阐述碳材料的ORR催化活化机制提供新的强有力的依据。

该研究通过钾插层技术使碳材料条纹扭曲并被氢原子钝化，通过同步辐射X射线吸收和红外光谱验证了氢钝化结构，利用电子顺磁共振和二氧化碳吸脱附实验证实上述结构所产生的未饱和电子态并与表面化学吸附性相关联。

理论计算和诸多实验数据表明，当碳材料仅具有扭曲条纹结构时并不能实现对氧气的有效化学吸附和活化；当该扭曲条纹结构被适量的氢原子钝化时，氢钝化位能够与氧气结合自发进行氧还原反应；更为重要的是，氢钝化位周边的碳原子可在低过电压下有效活化氧气分子并进行高效和可逆的ORR，并最终实现了高效、高选择性和稳定的两电子ORR反应。

该研究所阐述的催化活化机制是对碳材料ORR催化的有力补充，也解释了为什么碳材料在ORR中所表现出的诸多难以理解的实验现象，为更为精准的催化电极设计提供参考和依据。