郭兴忠教授、陆俊教授，ACS nano：通过LDH到DACs的耦合实现电子重分布以增强锌空气电池电催化的d-带调控和稳定性

第一作者：秦腾腾

通讯作者：郭兴忠*，陆俊*

单位：浙江大学，浙江大学杭州国际科创中心

在全球能源危机和气候问题的背景下，锌-空气电池（ZABs）因其高理论能量密度和安全性优势而展现出极具前景的解决方案；然而，其实际应用却因氧气还原（ORR）和氧气析出（OER）反应的缓慢动力学而受到阻碍。传统的贵金属催化剂，如 Pt/C（用于 ORR）和 RuO₂（用于 OER），具有高活性，但存在成本高、供应有限和耐久性差的问题。这促使人们转向非贵金属替代品，特别是 M-N-C 材料和双金属双原子催化剂（DACs），它们具有更高的稳定性以及原子效率更高的反应性，尽管在 OER 性能方面往往表现不佳。通过精确的异质结构设计将层状双氢氧化物（LDHs）与 DACs 结合，能够克服这些局限性，将高 OER 活性和 ORR 效率相结合。在本研究中，我们提出了一种新型的界面耦合“芝麻球”催化剂，由 FeNi-LDH 纳米点紧密生长在多孔、导电的 FeNi-DAC 上，这种结构利用了强大的协同效应，以优化中间吸附、降低活化能并增强电子转移，从而实现了稳定的双功能 ORR/OER 性能，并为推进耐用的 ZAB 提供了可行的策略。

近日，来自浙江大学的郭兴忠教授与陆俊教授合作，在国际知名期刊ACS nano上发表题为“Electron Redistribution via LDH-to-DACs Coupling Enhances dBand Regulation and Stability for Zinc-Air Battery Electrocatalysis”的观点文章。该观点文章展示了界面调控的电催化作用，并提供了一种可扩展的、不含贵金属的合成路线，用于开发用于能源存储应用的双功能氧电催化剂。

FeNi-DACs所构建的多级（微-中-大）孔结构和高比表面积，一方面提供了高速扩散通道，大幅降低 ORR/OER中的浓度极化；另一方面显著增加了暴露的FeNi活性位点，从而提升了单位质量催化活性。此外，碳载体中存在的大量缺陷及边缘位点既能稳定固定双金属原子，又优化电子耦合，防止活性位聚集。以ZIF-8衍生多孔碳为例，其独特的孔结构和高导电性为FeNi原子对构建均匀分布、导电性优异的电催化网络提供了理想基础。这一载体与活性位的协同效应促进了质（反应物、中间体）与电（电子）共同高效传输，显著提升了ORR/OER的动力学性能和耐久性。

从结构上讲，FeNi-LDH@DACs与原位生长的层状双氢氧化物纳米点之间的紧密连接确保了坚固的异质结构，具有明显的电子耦合和几何约束。对层状双氢氧化物尺寸（1-5 纳米）的精确控制可防止聚集，同时最大限度地暴露活性位点。这种可控的结构不仅在 ORR/OER 循环过程中保持了催化行为的一致性，而且还能减少结构变形和溶解，从而显著提高催化剂的稳定性和耐久性。这种设计体现了在异质结构电催化中确立的原则，即明确的界面能够增强电荷转移、活性位点密度和长期性能。

在FeNi-LDH@DACs复合结构中，LDH纳米点与FeNi双原子催化剂之间的紧密界面耦合实现了显著的电荷重新分布。这种界面电荷转移有效地调节了Fe和Ni活性原子的d能带中心，使它们对氧中间体（*OOH、*OH）的吸附强度更接近Sabatier原理所定义的最优范围。因此，通过降低 OOH 形成的能量障碍和加快电子转移，ORR 动力学得到了改善。在这种系统中，自发的界面电子重新分布极大地增强了电荷转移和ORR的内在活性。总体而言，在LDH-DAC接界处的强电子耦合协调了活性FeNi位点的有利电子结构，从而提高了ORR催化性能。

Electron Redistribution via LDH-to-DACs Coupling Enhances dBand Regulation and Stability for Zinc-Air Battery Electrocatalysis