复旦大学张鹏飞、北理工王克亮、南京林业大学王恒威、军科院防化院魏满晖Small:筛选与偶联策略构建杂原子掺杂实现高效双功能催化

第一作者：张鹏飞

通讯作者：王克亮*，王恒威*，魏满晖*

单位：复旦大学，北京理工大学，南京林业大学，军科院防化院

锌-空气电池由于能量密度高、安全环保等优势展现出巨大的发展潜力。然而，其受到贵金属催化剂成本高昂以及氧电催化动力学缓慢的限制。目前性能良好的双功能催化剂的制备工艺通用性差，难以实现大规模生产。在此，通过筛选元素氧化还原反应倾向和协同构建策略，合成了具有高效双功能催化活性的杂原子掺杂材料。碳基底、过渡金属和非金属的协同耦合共同实现了出色的双功能氧还原反应和析氧反应催化活性，优于商用贵金属催化剂和同一领域的大多数相关报道。本研究为高效且大规模制备高性能非贵金属双功能催化剂提供了一种简单可行的策略。

近日，复旦大学张鹏飞、北理工王克亮、南京林业大学王恒威、军科院防化院魏满晖等人在国际知名期刊Small上发表题为“Screening and Coupling Effects Jointly Construct Heteroatom Doping to Facilitate Efficient Bi-Functional Catalysis in Zinc–Air Batteries”的研究文章。该文章通过筛选与偶联效应共同构建杂原子掺杂，实现了锌-空气电池体系中高效的双功能催化。

基于元素氧化还原反应倾向筛选和协同构建策略，建立了杂原子掺杂型催化剂构型，并通过计算验证了其在双功能催化中的有效性，为催化剂的设计和合成提供了理论和实际指导。

杂原子的引入不仅显著增多催化位点，而且可以在掺杂部位产生显著的电荷转移现象。通过调整电子结构优化氧化还原反应中间体的吸附势垒，从而达到提高催化性能的效果。非金属和金属元素共掺杂的碳基复合材料对吸附的O和OH具有适当的电荷积累，更有可能形成OOH*中间体和OH⁻，表明协同策略有助于加快双功能催化的速度，实现出色的催化作用。

得益于杂原子掺杂型催化剂的高效性和稳定性，组装的锌-空气电池具有高功率密度和在大电流下运行的能力，并且表现出超长循环寿命。因此基于筛选与偶联效应构建的杂原子掺杂型复合材料具有作为高效ORR/OER双功能催化剂应用于锌-空气电池领域的潜力。

“Screening and Coupling Effects Jointly Construct Heteroatom Doping to Facilitate Efficient Bi-Functional Catalysis in Zinc–Air Batteries”

王克亮：北京理工大学长聘副教授，博士生导师，主要从事金属-空气电池的研究，多个国际知名SCI期刊审稿人，以通讯作者身份在Progress in Materials Science, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials等国际知名期刊上发表SCI论文50余篇。

王恒威：南京林业大学讲师，主要从事水系锌-空电池储能技术开发及应用，以第一作者身份在Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Advanced Functional Materials等期刊发表论文8篇。

魏满晖：军事科学院防化研究院工程师，主要从事能源材料、功能材料技术研究，以第一/通讯作者身份在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Applied Energy等期刊上发表论文14篇，同时担任多个国际知名SCI期刊审稿人。

张鹏飞：北京理工大学硕士研究生，主要从事水系金属-空气电池领域的相关研究工作。