北京大学郭少军教授/北京化工大学刘友星副教授最新AM：p-d轨道耦合效应提高Mg-CO2电池稳定性

第一作者：刘文博 徐亚超 郭肖华

通讯作者：刘友星*，郭少军*

单位：北京大学，北京化工大学

Mg-CO₂体系因其具有高能量密度、优异的安全性等优势而被广泛研究，单金属位点催化剂（Single-metal-site catalysts, SMSCs）由于具有较大的原子利用率在Mg-CO₂中具有较大的应用潜力。但是，弱金属-载体相互作用会引起单原子金属团聚，进而导致Mg-CO₂稳定性衰减。因此，开发有效策略强化金属-载体相互作用是提高Mg-CO₂稳定性重要途径。

近日，北京大学的郭少军教授，在国际知名期刊Advanced materials上发表题为“p-d orbital hybridization of S-Pt-C atomic site enables durable Mg-CO₂battery”的研究文章。本研究成功克服了传统π-d配位作用下金属-载体相互作用较弱的瓶颈。通过在共价有机框架（COFs）分子骨架中精准引入S原子，显著强化了金属中心与载体间的p–d轨道耦合作用，进而大幅提升了Pt单原子与 COFs相互作用力。相较于传统 C-Pt-C π-d配位构型，S-Pt-C三元协同配位结构可有效抑制 Pt 单原子的迁移团聚，进而提高电池稳定性。此外，S 原子的引入调控了 Pt 活性位点的电子云分布，降低 CO₂还原反应的决速步能垒，最终实现 Mg-CO₂电池电化学性能的显著提升。

实验结果显示：在0.34 V的超低过电势下稳定运行超过420小时，容量达到 50 Ah g⁻¹，高于以往报道的同类电池。原位电化学表征与理论计算进一步验证了p–d耦合作用显著降低关键步骤的能垒（*C₂O₄ → *CO₃ + C 降低 0.7 eV，*CO₃ → MgCO₃ 降低1.4 eV）。同时，p–d强耦合作用增强了金属-载体相互作用，抑制了Pt金属团聚，提高了电池稳定性。

这一工作提出了一种崭新的p–d轨道耦合作用强化金属-载体作用力策略，进而强化了金属单原子活性位与载体之间的相互作用力。这种强金属-载体相互作用不仅提高了Mg-CO₂电池的运行稳定性，还降低了显著降低 CO₂还原反应的决速步能垒，最终实现 Mg-CO₂电池电化学性能和稳定性的协同提升。因此，本工作为发展高性能和高稳定性Mg-CO₂电池器件提供了借鉴意义。

p-d orbital hybridization of S-Pt-C atomic site enables durable Mg-CO₂battery

刘友星副教授：北京化工大学副教授，于2022年在中科院化学所刘云圻院士团队获得博士学位，2022年-2024年在北京大学郭少军教授团队进行博士后研究，2024年通过高层次人才引进加入北京化工大学。主要从事层状共轭多孔分子精准设计及光催化性能调控，目前在Nat. Synth.、Nat. Commun.、Matter、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem.Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.等期刊发表学术论文50余篇，申请发明专利14项。入选国家“博新计划”，主持国家自然科学基金面上项目和青年项目、博士后科学基金面上项目等。曾获得中国科学院院长奖、唐敖庆化学奖、国家奖学金等荣誉。担任 Chinese Chemical Letters、Renewables、Carbon Neutralization 等期刊青年编委

郭少军教授：北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、北京高等学校卓越青年科学家、英国皇家化学会会士、全球高被引科学家（化学、材料）、爱思唯尔中国高被引学者（化学、材料）。长期从事电能源化学、材料与关键技术研究。提出了材料应变调控催化理念，揭示了材料应变、电荷与催化的构效关联，创制了高效氢能催化剂体系，开发出自主产权国际领先水平的电解制氢和燃料电池器件，显著提升了氢电能源转换效率，推动了应变催化理念在燃料电池、氢能等领域的应用。独立工作以来以通讯作者在Nature、Science、NSC系列（23）、Adv. Mater./Angew. Chem./JACS（57）等高影响力期刊发表学术论文。