螺旋结构无处不在，如自然界中的DNA、蛋白质、氨基酸以及花花草草等，是生物体中分子和大分子的固有特性。通常情况下，螺旋材料以手性分子为模板诱导目标分子或者纳米粒子自组装而形成。螺旋结构的材料在能量存储和转化方面具有非常广阔的应用前景。例如，由螺旋线形状的碳纳米管和纳米TiO2复合制成的光电转换及存储装置。最近，螺旋的碳纳米管纱线可通过拉伸或者扭曲将机械能转化为电能。但是，这类材料在电催化中的应用鲜有报道。氮掺杂碳（N-C）和过渡金属-氮-碳（M-N-C）基材料具有优异的氧还原反应（ORR）性能，近年来成为非常有前途的非贵金属催化剂，对于发展高效的燃料电池至关重要。当前，N-C基材料种类繁多、形貌多样，如纳米球、纳米棒、纳米管、纳米线等等。到现在为止，螺旋结构的N-C基材料用作ORR催化剂却鲜有报道，螺旋的M-N-C基材料更加少见。常见的制备N-C基材料的方法就是热解法。聚吡咯、聚苯胺和共价有机聚合物（COPs）等均可作为制备N-C材料的前驱体。然而，前驱体热解过程很难控制，通常会导致其形貌和有序结构的坍塌，因此，很难制备分子水平有序的螺旋N-C结构材料。
最近，陕西师范大学的曹睿教授（通讯作者）、郑浩铨副教授（通讯作者）和苏州大学的林海平副教授（通讯作者）合作报道了一种新型的钴掺杂手性碳质纳米管（L-CCNTs-Co）作为ORR的高活性电催化剂。首先，他们合成了手性模板剂N-stearyl-L-glutamic acid（C18-L-Glu）：带有18个碳的硬脂酰基谷氨酸，通过静电相互作用诱导吡咯分子复制模板剂的手性排布，由内而外层层堆叠。随后，加入聚合引发剂便可得到具有螺旋结构的聚吡咯，煅烧得到分子层面具有螺旋结构的N-C材料，即手性碳纳米管（L-CCNTs）。最后，他们将Co2+负载到L-CCNTs表面，进一步热解（800 ºC）得到L-CCNTs-Co-800。具体的制备流程及实际结构如图1和图2所示。
图1. L-CCNTs-Co的制备流程示意图（上）及L-CCNTs的表面电荷分布图（下）。
与非手性Co掺杂碳材料和商业Pt/C相比，L-CCNTs-Co在碱性条件下表现出优异的电催化活性（Eonset = 0.90 V；E1/2 = 0.84 V vs RHE）、较高的电子转移数（n = 3.87）、较好的抗甲醇干扰性和稳定性。此外，L-CCNTs-Co-800材料也表现出优异的电催化产氧（过电势 = 334 mV）和产氢（过电势 = 236 mV）性能（1.0 M KOH @10 mA/cm2）。DFT计算表明：扭曲表面上的电荷分离导致Co原子更多地暴露在手性CCNT上。该工作为明确螺旋结构在电催化氧还原反应ORR中的影响提供了理论依据，为合理设计和开发高性能的纳米材料提供新的研究思路。
图2. L-CCNT-Co的SEM成像（a）；D-CCNT-Co的SEM成像（b）；L-CCNT-Co的TEM成像（c）和HRTEM成像（d）；L/D-CCNT-Co的CD光谱（e）及商业Pt/C、非手性Co掺杂碳材料和L-CCNT-Co-800的LSV曲线（f）。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的共同第一作者为陕西师范大学的梁作中和苏州大学的樊星，共同通讯作者为曹睿、郑浩铨、林海平。
该论文作者为：Zuozhong Liang, Xing Fan, Haitao Lei, Jing Qi, Youyong Li, Jinpeng Gao, Meiling Huo, Haitao Yuan, Wei Zhang, Haiping Lin, Haoquan Zheng and Rui Cao
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Cobalt–Nitrogen-Doped Helical Carbonaceous Nanotubes as a Class of Efficient Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57 ,13187, DOI: 10.1002/anie.201807854
曹睿教授简介
曹睿，陕西师范大学化学化工学院教授，分子模拟与太阳能转化团队首席教授，博士生导师；2003年从北京大学化学与分子工程学院获得学士学位，2008年从美国埃默里大学（Emory University）化学系获得博士学位；分别于2008－2009年在埃默里大学化学系，2009－2011年在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）化学系Stephen J. Lippard课题组从事博士后研究工作；2011年入选中共中央组织部第一批“青年千人计划”，2014年入选陕西省“百人计划”，2006年获美国Emory University的Osborne R. Quayle 奖，2009-2011年获美国Camille and Henry Dreyfus基金；目前已在国内外重要影响力期刊上发表论文六十余篇。
http://www.x-mol.com/university/faculty/12347
郑浩铨副教授简介
郑浩铨，男，2006年6月和2011年9月分别获得上海交通大学学士和博士学位，导师车顺爱教授；2012年5月至2016年8月于斯德哥尔摩大学环境与材料学院从事研究，合作导师邹晓冬院士；2016年9月起任陕西师范大学化学化工学院副教授、硕士生导师，主要研究方向是多级孔材料的制备及其在能源材料/药物释放等领域的应用；2017年入选陕西省“百人计划“青年项目；在已在国际知名学术期刊上发表研究论文50篇，以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Coord. Chem. Rev.、Chem. Sci. 等杂志发表，h-index为17，引用近1200余次；获中国授权专利二项、国际专利申请一项。
http://www.x-mol.com/university/faculty/46699
林海平副教授简介
林海平，2008年于英国利物浦大学获得化学博士学位，现任苏州大学功能纳米与软物质研究院副教授；研究领域是（1）包含针尖效应的STM模拟计算方法的发展；（2）表、界面催化反应机理的第一性原理计算和（3）基于外场和量子限域效应的新型催化体系的设计；目前已在相关领域发表SCI论文50余篇，包括以第一和通讯作者发表的Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano 等。
http://www.x-mol.com/university/faculty/18428
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