太原理工大学王孝广教授Small：通过降低O-to-OH能垒优化脱合金多组分合金催化剂的氧还原反应

第一作者：徐鸿飞

通讯作者：马自在*，王孝广*

单位：太原理工大学

金属-空气燃料电池具有能量密度高、零碳排放的优势，核心取决于阴极氧还原反应（ORR）的催化性能 —— ORR作为典型的多电子转移反应，存在动力学缓慢、过电位高的固有问题，是制约电池功率密度与长期服役能力的关键环节。目前商业化ORR催化剂主要依赖铂（Pt）族贵金属，其具有优异的催化本征活性，但存在两大核心缺陷：一是Pt资源稀缺、价格昂贵，严重阻碍大规模产业化应用；二是单一Pt基催化剂在电化学反应过程中易发生颗粒团聚、表面氧化溶解，稳定性不足，且对ORR中间体的吸附强度难以精准调控，限制了催化效率的进一步提升。

近日，太原理工大学的王孝广教授与马自在博士在国际知名期刊Small上发表题为“Enhancing Oxygen Reduction Reaction Performance in Dealloyed Multicomponent Alloy Catalysts in Zn- and Al-Air Batteries: Strategic Lowers O-to-OH Energy Barriers”的文章。设计并构建AlFeCoNiPt-M（M=Cu、Mn、Ag）多组分合金催化剂。通过系统调控前驱体成分，探究异质原子改性对催化剂微观结构（多孔形貌、晶格畸变）及ORR催化性能的影响机制，最终实现催化剂活性、稳定性与成本的协同优化，为高性能锌-空气电池、铝-空气电池的研发提供关键材料支撑与技术参考。

传统ORR催化剂多聚焦于Pt基二元/三元合金，难以同时实现“低Pt用量”与“高活性-稳定性”的平衡。本工作采用脱合金工艺，创新性地构建D-AlFeCoNiPt-M（M=Mn/Cu/Ag）六元合金体系。通过引入不同的第六元素（Mn/Cu/Ag）并保持其他参数不变，成功制备三种催化剂，且均展现出优于商业Pt/C的性能。两步脱合金法不受限于特定元素，可根据目标性能需求灵活调整组分，为多组分合金催化剂的规模化开发提供了通用模板。

本工作通过“配体效应”调控Pt的电子结构，还能借助“晶格畸变效应”改变Pt-Pt键间距 —— 脱合金后残留的多元金属原子形成固溶体，相比传统合金更易产生可控晶格扭曲，从而暴露更多活性位点并提升内在催化活性。ORR活性与第六元素的性质（原子半径和电负性等）密切相关。第六元素的原子半径差异直接影响多元合金的晶格压缩效应，元素电负性差异决定电子在Pt与其他金属间的转移方向与强度。这一设计为“组分-性能”构效关系研究提供了清晰变量，突破了传统合金“组分调控维度有限”的瓶颈。

理论计算显示，Cu作为电子供体向相邻Pt原子转移电荷，导致Pt原子电荷重新分布，并增强Pt与其他金属（Al、Fe、Co和Ni）之间的电子杂化，促进*O吸附H原子向*OH的转化，降低RDS的活化能，同时削弱了Pt与OH的相互作用，避免了活性位点被覆盖中毒，保障催化反应持续进行。

Cu改性多组元合金催化剂组装的锌-空气电池峰值功率密度183 mW cm^-2，比容量795 mAh g^-1，循环稳定性良好；组装的铝-空气电池峰值功率密度283 mW cm^-2，比容量高达1697 mAh g⁻¹，串联电池可驱动3.7 V LED灯10小时，具备实际应用潜力。

Enhancing Oxygen Reduction Reaction Performance in Dealloyed Multicomponent Alloy Catalysts in Zn- and Al-Air Batteries: Strategic Lowers O-to-OH Energy Barriers

马自在博士简介：太原理工大学化学与化工学院讲师，硕士研究生导师。主要研究方向为电催化、光电催化材料的设计、合成及其在能源催化转化领域的应用。以第一作者/通讯作者在Adv. Energy Mater.，Chem. Eng. J.，Small和Sci. China Mater., 等国际知名学术刊物上发表多篇研究论文。

王孝广教授简介：太原理工大学材料科学与工程学院教授，新型碳材料研究院院长，博士研究生导师。研究方向集中在用于能量存储和转换的新型纳米结构材料的合成和调控，重点从事燃料电池/离子电池电极材料的开发、规模化生产和商业应用。已发表100余篇SCI论文，包括Angew. Chem.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Catalysis等，被引用次数超过1000次。

徐鸿飞目前于太原理工大学材料科学与工程学院攻读博士学位，分别于2012年和2020年于内蒙古工业大学和西安建筑科技大学获得学士学位和硕士学位。研究方向是纳米多孔合金催化剂的开发和利用/生物质废弃物资源化利用。以第一作者身份在Bioresour. Technol.，Chem. Eng. J.，Small和Int. J. Hydrogen Energy等国际SCI期刊发表学术论文4篇。