郑大刘清朝教授/卢有彩教授，AFM双原子在锂-氧气电池中的新进展：埃尺度双单原子驱动[Co-O]自旋轨道耦合促进锂-氧电池电催化

第一作者：付雅宁

通讯作者：刘清朝*，卢有彩*

单位：郑州大学

双原子催化剂(DAC)由于其独特的协同机制而成为锂氧(Li-O₂)电池研究的一个新领域。然而，实现活性位点结构的精确控制和揭示双金属物种的协同效应仍然是一个重大挑战。在这里，该研究报告了一种预封装热解策略，使用Co基Robson型双核配合物作为前体介导合成具有精确埃级位点间距离配置的双单原子Co (Co-DAC)，作为Li-O₂电池的高效催化剂。定制的结构诱导了显著的电荷再分配，降低了晶体场分裂能(ΔO)。

高自旋Co产生强大的电子驱动力与关键的氧中间体(*O)形成σ键和类δ键灵活吸附。同时增强的Co-O自旋轨道耦合促进了电子沿桥接O通道传递形成高活性的Co-O-O-Co电子链以协同吸附*O，建立了有利的反应途径。基于局部结构定义明确的双单原子Co 阴极实现了对LOB氧化还原动力学的显著优化。这项工作增强了对定制结构的合理设计与相应的电子传递动力学之间的依赖关系的理解，同时为DAC助力开发高性能Li-O₂电池提供了新的策略和理论指导。

基于此，来自郑州大学的刘清朝教授与卢有彩教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Precisely Engineering of Ångström-Scale Dual Single Atom Drive [Co-O] Spin-Orbit Coupling to Boost Lithium–Oxygen Batteries Electrocatalysis”的观点文章。该观点文章巧妙的利用Co基Robson型双核配合物作为前体介导合成了具有精确埃级位点间距离配置的双单原子Co作为Li-O₂电池的高效催化剂，实现了对Li-O₂电池氧化还原动力学的显著优化。

示意图：双单原子Co的精确合成过程，通过增强自旋轨道耦合加速Li-O₂电池的氧化还原动力学。

考虑到金属在双原子催化剂合成过程中的随机分散可能会在一定程度上阻碍反应中心的识别，提出了使用Co基Robson型双核配合物作为前体介导合成具有精确埃级位点间距离配置的双单原子。这种集成的方法可以通过独立操纵金属的局部结构来精确控制金属间距。均匀准确的双原子构型为在原子水平上分析活性位点及其催化机理提供了可靠的模型体系。

要点二：催化位点设计

锂氧电池的反应过程包括吸附、活化、参与反应即含氧中间体在催化位点上的动态演化过程。在我们的研究中专门设计了一个具有精确对间距配置的二元钴模型。该设计使得O₂及其中间体通过侧对模式吸附，促进了电子沿桥接O通道传递形成高活性的Co-O-O-Co电子链，建立了有利的反应途径。

要点三：自旋-轨道耦合的创新概念

在双单原子Co体系中引入自旋-轨道耦合来增强活性位点的自旋力学效应。这种自旋轨道耦合利用了Co 3d （d_x²-_y²/d_z²）和O₂分子轨道之间的相互作用，加速了键氧中间体的动态演化。同时这种强相互作用导致的结构错配扭曲了Li物种，促进了更容易的键解锂和进一步的氧化，大大降低速率决定步骤中的能量势垒，实现ORR和OER过程的双重优化。

要点四：深入分析动力学和吸附行为

通过将DFT计算与实验表征相结合，系统地研究了局部定义的双单原子钴在促进键合氧中间体动态演化中的关键作用。本研究阐明了定制结构的自旋操纵与其相应的电子转移动力学之间的关系，并为理论和实验之间的协同作用提供了重要的见解，使其与对锂氧电池性能的机制相互作用有了更全面的了解。

“Precisely Engineering of Ångström-Scale Dual Single Atom Drive [Co-O] Spin-Orbit Coupling to Boost Lithium–Oxygen Batteries Electrocatalysis”

刘清朝简介：郑州大学教授，博士生导师，河南省优青、郑州大学能源化学研究所副所长。近年来一直致力于金属-空气电池领域的基础研究。先后主持完成国家自然科学基金面上/青年项目、河南省优青、中国博士后科学基金、河南省博士后基金、郑州大学优秀青年基金等多项课题，以通讯/第一作者发在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文40余篇，引用3800余次，H指数28。参与撰写英文著作1章节，授权专利6项。