環(huán)狀膠粒是一類具有非凸拓撲結(jié)構(gòu)的膠體顆粒，因其獨特的幾何構(gòu)型成為構(gòu)建復(fù)雜多層級自組裝材料的新型基元。其特有的拓撲特征不僅賦予單粒子及組裝體潛在的光電磁性能，也為先進材料設(shè)計開辟了新路徑。然而，如何充分發(fā)揮環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)在自組裝材料性能提升中的優(yōu)勢，是該領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題。

　　中國科學院化學研究所研究團隊圍繞環(huán)狀膠粒合成、自組裝及功能材料開展了一系列研究。早期工作中，研究團隊提出“patchy模板合成”策略，利用固體膠粒模板實現(xiàn)了二氧化硅環(huán)的高效制備。為拓展環(huán)基材料功能，團隊將“patchy模板合成”策略拓展至液滴模板體系，實現(xiàn)了多種材料（尤其碳環(huán)）的高效合成，并將其用于構(gòu)建自支撐電極，展現(xiàn)出優(yōu)異的鋰氧電池性能。團隊還構(gòu)建了界面覆蓋率低，但乳液穩(wěn)定性反而加強的新型Pickering乳液，為高效的界面催化提供了新思路。

　　近日，研究團隊提出一種簡便可控的膠體自組裝策略，成功構(gòu)筑了環(huán)狀膠粒的向列相液晶結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)狀膠粒本身難以形成向列相，但借助盤狀膠體的液晶行為，可通過沉降驅(qū)動自組裝實現(xiàn)環(huán)狀膠粒的向列相有序。該結(jié)構(gòu)提供了取向有序的大孔通道，有助于物質(zhì)/離子的定向傳輸，并可直接形成自支撐整體電極。在鋰氧電池中，該材料首圈放電比容量高達32785 mAh g−1，較無序結(jié)構(gòu)提升約60%。

　　進一步分析表明，環(huán)狀顆粒的取向有序度與放電容量呈正相關(guān)，性能提升歸因于向列相結(jié)構(gòu)所引導(dǎo)的離子定向傳輸、結(jié)點均勻分布及電場協(xié)同作用。該研究為電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術(shù)部和中國科學院等的支持。

環(huán)狀碳膠體向列相液晶結(jié)構(gòu)及其鋰氧電池性能