北京化工大学胡传刚、陈晓春及张利鹏教授，最新Angew VIP文章: 通过d-p轨道杂化描述符实现高性能Na-CO2电池的催化剂设计

第一作者：戴姚

通讯作者：胡传刚*、陈晓春*及张利鹏*

单位：北京化工大学

Na-CO₂电池因其高的理论能量密度及钠的高自然丰度，在电化学储能与转换领域备受关注。利用CO₂作为正极活性物质，使其兼具双重优势：既可为深空探测提供能源解决方案（如火星大气气氛中96%以上为CO₂），又为缓解全球气候变化提供潜在技术路径。然而，放电产物的绝缘特性导致其在电极表面不可逆积累，引发电极钝化、容量快速衰减及循环稳定性差等严重问题，阻碍了Na-CO₂电池的发展。

为缓解放电产物导致的电极钝化与容量衰减，研究者已尝试了多种催化剂。其中，金属基催化剂展现出显著潜力，这主要归因于其d轨道与产物的p轨道之间的协同杂化作用，可有效降低反应活化能垒、加速电极反应。以钯、钌、铱及其衍生物为代表的贵金属，凭借其独特的电子结构，在促进放电产物分解方面展现出优异的催化活性，能显著降低充电电压。尽管如此，对金属本征电子特性（如d带中心）如何调控放电产物分解机制的理解仍显不足。同时，由于缺乏普适的理论描述符来指导催化剂的理性设计与快速筛选，高性能催化剂的开发在很大程度上仍依赖经验性的“试错法”。这严重阻碍了先进催化剂的发现与Na-CO₂电池技术的进步。基于上述挑战，亟需从电子结构层面深入理解催化机理，并建立有效的理论描述符，以指导高性能催化剂的理性设计。

近日，北京化工大学胡传刚、陈晓春和张利鹏教授，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Unlocking High-Performance Na-CO₂Batteries via a d-p Orbital Hybridization Descriptor for Rational Catalyst Design”的观点文章。该观点文章分析了现在常用的聚合物固态电解质与电池各个组件（正极、负极、陶瓷填充物）之间界面的不稳定性，同时汇总了近期在研究此类界面不稳定性问题上的进展。

基于密度泛函理论（DFT）计算，选取了涵盖d6-d10电子构型，具有高、中、低不同d带中心位置（Pd、Ru、Co、Ir、Ni、Zn、Ag、Fe、Cu）的九种金属作为候选催化剂模型体系。通过系统分析Na₂C₂O₄在各金属表面吸附时的Na-O键断裂倾向，进行了初步活性筛选。研究了金属d轨道与Na₂C₂O₄中氧p轨道之间的杂化作用，发现其杂化强度是调控电池放电产物Na₂C₂O₄形成与分解的关键，并据此提出了基于d-p轨道杂化度的普适性描述符。

为验证理论预测，选取了五种代表性金属（Pd、Ru、Ir、Cu、Ag），以氧化碳纳米管为载体合成了相应的金属基催化剂，并组装Na-CO₂电池评估其电池性能。实验结果表明，基于该描述符预测活性最高的Pd基电池实现了最低的过电位（0.49 V），显著优于Ru（1.13 V）、Ir（1.39 V）、Cu（1.68 V）和Ag（1.92 V）基电池。尤为突出的是，Pd基催化剂展现出优异的循环稳定性，可稳定运行超过1800小时，且能量效率保持在85.5%。

综合理论计算与实验分析，本工作阐明了d-p轨道杂化通过降低决速步骤的能垒并调控放电产物形貌，有效提升了Na-CO₂电池的性能。基于该机制所建立的描述符，成功关联了催化剂的电子结构特征与电池性能，构建了‘设计-预测-验证’的闭环研究范式，为高性能Na-CO₂电池催化剂的设计提供了理论基础和普适性指导。

本研究提出以dp轨道杂交描述符为核心的催化剂理性设计策略，该描述符通过量化金属d带中心与氧p轨道的杂交强度，准确预测Na₂C₂O₄分解能垒与催化活性。机制上，强dp杂交（如Pd）优化中间体吸附行为，降低速率决定步骤的吉布斯自由能，促进纳米级、均匀分散的放电产物形成与可逆分解，从而大幅提升反应动力学与结构稳定性。基于该描述符筛选的Pd/OCNTs催化剂使Na-CO₂电池实现0.49 V的低过电位、85.5%的高能量效率及1800 h的长循环寿命，性能显著优于已报道体系。该工作不仅为Na-CO₂电池提供了高效的催化剂设计范例，更建立了可推广至其他金属气体电池及能源转换技术的电子结构描述符理论框架。

Unlocking High-Performance Na-CO₂ Batteries via a d-p Orbital Hybridization Descriptor for Rational Catalyst Design”

胡传刚教授简介：北京化工大学化工学院，教授、博导，国家级海外高层次青年人才，智慧碳调控课题组负责人。氢能科学与工程专业负责人；有机无机复合材料全国重点实验室、氢能材料智能设计与制造北京市重点实验室成员；入选斯坦福大学2024全球前2%顶尖科学家和2024终身科学影响力榜单。2015年于北京理工大学取得博士学位。2015年到2019年，美国凯斯西储大学做博士后；2019年到2020年在澳大利亚新南威尔士大学做研究助理。长期从事先进能源催化材料的精确设计、合成与制备，及其在新能源器件中的应用。目前，发表SCI论文100余篇，参与编著英文书籍3章。论文总被引用19400余次，h-index为72。以第一/通讯作者在PNAS、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、等国际顶级期刊发表论文70余篇。11篇入选ESI高被引论文（Top 1%，第一作者6篇）。获授权国家发明专利9件，深化“产-学-研”相结合模式。担任Frontiers in Materials期刊（Carbon-based Materials）的主编。Nano research energy、e-science、Int. J. Min. Met. Mater.、物理化学学报等期刊青年编委。

 陈晓春教授简介：北京化工大学教授，博士生导师，享受国务院特殊津贴专家，中国石油与化工行业教学名师，北京市优秀教师，中国化工学会理事，膜分离过程与技术北京市重点实验室副主任，国家级化工过程虚拟仿真实验教学中心主任。研究方向为：绿色化学技术与绿色化学工艺开发；化工分离过程强化；膜分离技术及其应用；离子液体的构效关系研究及其在共沸物分离、燃料油选择性深度脱硫/氧化脱硫中的应用；离子液体在二次电池材料改性中的应用；离子液体催化废旧塑料选择性降解行为研究；离子液体和低共熔溶剂在二氧化碳捕集中的应用；化工过程模拟与优化；化工过程本质安全技术研究、化工园区风险防控技术研究等。主持国家自然科学基金3项，国家重点研发课题2项，其他项目30余项。发表学术论文161篇，其中SCI收录120篇，出版译著2部，专著3部。获得中国高校科学技术自然科学二等奖1项，教育部研究生教育教学成果二等奖1项，北京市教育教学成果一等奖1项、二等奖1项。

张利鹏教授简介：北京化工大学化学工程学院教授，博士生导师。有机无机复合材料全国重点实验室、氢能材料智能设计与制造北京市重点实验室成员。研究领域包括利用多尺度计算模拟及人工智能方法进行碳基纳米催化材料、碳基复合功能材料构-效关系及设计与改性，氢能利用及CO₂转化等相关反应热力学、动力学研究。主持国家自然科学基金、科技部重点研发计划子课题、配套项目等多项研究课题。在包括Advanced Materials、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表SCI论文100余篇，被引10000余次，H因子40。

戴姚：北京化工大学化学工程学院博士研究生，现为常州大学师资博士后，合作导师为李忠玉教授。博士期间师从胡传刚和陈晓春教授，主要研究方向为金属-CO₂电池中碳基材料与电解液的设计。以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、eScience等期刊发表论文。