自分类氧还原催化剂：金属超分子聚合物与碳纳米管的协同作用及其在锌-空气电池中的应用

第一作者：王立为

通讯作者：赵倩 李盛华

通讯单位：天津科技大学 南开大学 华北理工大学

氧还原反应（ORR）作为锌空气电池和燃料电池等清洁能源系统的核心过程，其催化剂性能至关重要。尽管铂基催化剂活性优异，但高昂的成本和有限的储量严重制约了其大规模应用，因此，开发高效、稳定的非贵金属催化剂已成为领域内的重要研究方向。针对这一挑战，通过研究发现，金属超分子聚合物（MSPs）凭借其明确可调的配位结构及丰富的活性位点，为设计新型ORR催化剂提供了理想平台，但其导电性较差的问题又限制了电催化性能的进一步提升。为突破这一限制，本研究提出将MSPs与碳纳米管（CNTs）复合的策略，通过引入CNTs构建高效电荷传输网络，显著提升了材料的导电性和活性位点利用率。该策略不仅解决了MSPs本身导电性不足的瓶颈，更进一步增强了复合催化剂的活性和稳定性，为推进非贵金属催化剂的实际应用提供了有效途径。

近日，天津科技大学王立为作为第一作者发表了题为“Self-Sorted Oxygen Reduction Catalysts Based on Metallosupramolecular Polymers and Carbon Nanotubes for Zinc-Air Battery”的研究论文。该研究通过自分类组装策略，成功构建了具有新型Mn-N₂O₂(S)活性中心的锰基金属超分子聚合物以及与CNTs的复合电催化剂Mn-DBDSA@CNTs。该材料在氧还原反应中表现出高催化活性与优异稳定性，其多维协同结构有效调控了活性中心与界面电子环境，显著提升了锌-空气电池的充放电性能和循环寿命，为非贵金属催化剂的设计与新一代能源转换技术提供了新路径。

本研究开发了以Mn-N₂O₂(S)作为新型氧还原反应(ORR)活性中心的金属超分子聚合物Mn-DBDSA。该材料通过新型配体DBDSA（2,5-二氨基苯-1,4-二磺酸）与锰离子的配位作用构建而成，其独特结构得益于一维链之间多重的氢键作用，即配体DBDSA的S=O键与相邻分子链氨基的N-H之间形成了关键的分子间氢键，其O···H距离小于2.5 Å——在这一氢键驱动下，一维Mn-DBDSA分子链进一步自组装成规则的二维纳米片结构，该形貌特征已通过SEM以及TEM图直接证实。

本研究通过独特的自分类策略成功合成了Mn-DBDSA@CNTs复合材料，该策略的核心在于利用分子间作用力实现了组分的有序整合，即在复合过程中，一维Mn-DBDSA分子链并未与CNTs发生简单混合或共组装，而是凭借其链间预先存在的强氢键作用，优先进行自组装形成二维纳米片结构；随后，这些预先形成的纳米片通过π-π相互作用与CNTs复合，最终形成结构明确的Mn-DBDSA@CNTs复合材料。这种自分类机制有效避免了活性中心的失活，保障了复合后催化界面的完整性。得益于该策略，复合材料表现出卓越的ORR催化性能：其起始电位达到0.94 V (vs. RHE)，材料展现出优异的稳定性，持续测试10小时后仍能保持98.2%的初始活性。

实际运用中，该金属超分子聚合物与CNTs复合材料表现出优异的锌-空气电池性能。我们将其用作空气阴极催化剂组装了锌空气电池（ZAB），基于其高效的电催化活性，组装而成的电池实现了高达193 mW cm⁻²的峰值功率密度，显著优于Pt/C+IrO₂基准电池（117 mW cm⁻²）；同时，电池表现出稳定的充放电性能，预示着优异的稳定工作能力。这些结果表明，Mn-DBDSA@CNTs复合材料不仅全面提升了锌-空气电池的核心性能指标，更以更优的循环稳定性展现出替代传统贵金属催化剂的巨大应用潜力。

Self-Sorted Oxygen Reduction Catalysts Based on Metallosupramolecular Polymers and Carbon Nanotubes for Zinc-Air Battery

天津科技大学赵倩-李盛华课题组，主要研究方向为功能导向的超分子复合材料创制与应用，具体包括四个方面：1.花灯烃的超分子化学及生物医用材料；2.能源与电子低维材料的合成与应用；3.有机发光材料的合成与性能；4.高性能聚合物及其复合材料的制备与成型。近年来，主持国家自然科学基金项目2项，博士后基金2项，企业横向数项。在Adv. Energy Mater., Sci. China Chem., Chem. Eng. J., Small, ACS Materials Lett.等国际国内著名学术期刊发表论文30余篇，总影响因子>200，申请中国发明专利30余项，已授权中国发明专利10余件，参编专著1项。

王立为，化工与材料学院材料科学与工程23级硕士生，参加中国国际大学生创新大赛获得天津市银奖、曾获得国家化学竞赛二等奖。师从李盛华副教授，目前以第一作者身份在Journal of Power Sources上发表论文一篇，合作参与发表论文一篇。