海水作为地球上最丰富的资源之一，为能源储存与转化提供了巨大的潜力。然而，复杂的海水环境对催化剂的稳定性和活性提出了挑战。近日，海南大学邓意达、郑学荣、王浩志团队在《Energy Storage Materials》期刊上发表研究，设计了一种创新的原子级催化剂Co-ACSAs，通过超快速高温冲击合成技术，实现了在海水环境中的高效氧还原反应（ORR），为海水电池商业化应用开辟了新路径。
研究团队设计了一种新型原子级催化剂模型Co-ACSAs，其中钴原子簇（Co-ACs）被卫星钴单原子（Co-SAs）环绕。通过理论计算发现，Co-ACs对氯离子具有较强的吸附能力，能够保护Co-SAs免受毒化；而Co-SAs则对氧分子的吸附能力更强，显著提升了ORR效率。
团队采用超快速高温冲击（HTS）技术，在氮掺杂碳基底上一步法合成了Co-ACSAs。这一方法不仅控制了钴基催化剂从纳米粒子到原子簇再到单原子的尺寸，还优化了其微观结构，为进一步探索其物理化学性质提供了重要基础。
实验结果表明，以Co-ACSAs为阴极电催化剂的海水电池在5 mA cm⁻²电流密度下，放电电压达1.46 V，峰值功率密度高达96 mW cm⁻²，并在稳定放电380小时后仍表现出优异的性能。这一成果在海水电池领域创下了新的纪录。
研究通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Co-ACSAs中不同活性位点的吸附特性。结果表明，Co-ACs和Co-SAs之间的电子调制作用使其在海水电解质中表现出卓越的催化性能（图1）。
高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像显示，Co-ACSAs中原子簇和单原子之间的距离小于1.0 nm，有助于电子调制和催化活性提升（图2）。与传统钴基催化剂相比，Co-ACSAs在天然海水中展现出更高的ORR活性和长期稳定性（图3）。
(3) 海水电池性能测试Co-ACSAs在含氯电解液中表现出极低的活性位点毒化率，并显著降低了形成OOH*的能量障碍（图4）。
研究表明，Co-ACSAs在海水环境中具备出色的抗氯离子毒化能力和氧还原活性，适用于金属-空气电池、海水电解等多种新能源应用场景。
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