吴振禹/李昊/许杰，Energy Environ. Sci.: pH-微动力模型指导合成长寿命锌空电池的高效氧还原双原子催化剂

第一作者：李婷婷 张頔

通讯作者：吴振禹*，李昊*，许杰*

单位：南方科技大学，日本东北大学，温州大学

氧还原反应（ORR）在锌空气电池（ZABs）中起着至关重要的作用，但其动力学缓慢。以铂为基础的电催化剂（如Pt/C）因其在ORR中的高活性被广泛应用，但由于其高昂的成本、天然稀缺性及易被毒化，限制了其在大规模中实际应用的可行性。非贵金属双原子催化剂（DAC）具有两个相邻金属活性位点，能够优化吸附能并改善催化动力学，代表了一种非常有前景的ORR催化剂。然而，DAC领域存在一些亟待解决的难题，必须在实际应用之前予以解决。首先，目前的研究主要依赖传统的试错方法，缺乏精确的理论指导，这导致DACs的开发效率较低；其次，大多数研究集中于构建不同的双原子对以提升催化性能，却往往忽视了分级孔结构的设计，而这一点对催化反应物的传质至关重要，并能进一步提高DACs在实际应用中的催化性能；最后，DACs在ZABs中的表现，如倍率性能和循环稳定性，仍然处于中等水平（稳定时间< 1000 h，最大放电率< 100 mA cm^-2），这严重限制了它们在实际应用中的前景。

基于此，南方科技大学吴振禹副教授、日本东北大学李昊教授、温州大学许杰教授合作提出pH-微观动力模型，对众多催化剂进行理论分析，在长寿命锌空电池高效氧还原双原子催化剂的合成中取得重要进展，相关成果以“A pH-dependent microkinetic modeling guided synthesis of porous dual-atom catalysts for efficient oxygen reduction in Zn–air batteries”为题在《Energy Environ. Sci.》发表。这项工作不仅证明了高效筛选与合理设计相结合，能够获得具有最佳活性位点和孔结构的双原子催化剂，从而提升其实际应用效果，还为合成不同用途的电催化剂提供了一条前景广阔且有效的途径。

图1 ORR中DACs的pH-微动力学模型。

图2 Fe₁Co₁-N-C催化剂的合成与表征。

图3 Fe₁Co₁-N-C催化剂的表面性质和电子结构。

图4. Fe₁Co₁-N-C在标准三电极测试中的ORR性能

图5 原位ATR-SEIRAS和原位Raman研究ORR机理。

图6 Fe₁Co₁-N-C在ZABs中的应用性能

提出了一种pH-微动力学模型指导合成策略，用于构建具有实际应用潜力的氧还原双原子催化剂，以应用于ZABs。在pH-微动力学模型的指导下，作者快速识别并合理合成了一种高效的Fe₁Co₁-N-C ORR催化剂，该催化剂具有Fe₁Co₁-N₆双金属原子位点和分级多孔结构。

要点二：

设计的多孔Fe₁Co₁-N-C催化剂在三电极系统中表现出优异的ORR性能，远优于基准Pt/C催化剂。

要点三

基于Fe₁Co₁-N-C的ZAB表现出较高的开路电压（1.51 V）和能量密度（1079 Wh kgZn^-1），超高的倍率性能（从2到600 mA cm^-2），以及超长的循环寿命（在5 mA cm^-2下超过3600 h/7200 cycles），展现了其巨大的应用潜力。

A pH-dependent microkinetic modeling guided synthesis of porous dual-atom catalysts for efficient oxygen reduction in Zn–air batteries

吴振禹副教授简介：南方科技大学化学系副教授（研究员）、博士生导师、课题组组长。2011年本科毕业于南京农业大学应用化学系（导师：兰叶青教授），2016年博士毕业于中国科学技术大学化学系（导师：俞书宏院士），2016-2022分别在中国科学技术大学（合作导师：俞书宏院士和梁海伟教授）和美国莱斯大学（合作导师：Prof. Haotian Wang）任博士后研究员。

主要从事先进功能纳米材料的理性设计、精准合成、催化应用的研究，在碳/金属基纳米材料合成、电化学合成及催化、电化学反应器设计与应用等领域取得了系列原创性研究成果。在国际期刊发表SCI论文60余篇，引用16000次（Google Scholar），H-Index为43；其中以第一作者（含共同）/通讯作者身份发表SCI论文30余篇，包括Nature (1篇), Nat. Mater. (1篇), Nat. Synth. (1篇), Nat. Nanotechnol. (1篇), Nat. Sustain. (1篇), Sci. Adv. (1篇), Nat. Commun. (2篇)，Acc. Chem.Res. (1篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)，CCS Chem.(1篇), Joule (1篇)，Adv. Mater. (1篇), Energy Environ. Sci. (2篇) 等。获得中国授权专利6项，申请美国专利1项。

入选2022年科睿唯安(Clarivate)“全球高被引科学家”。荣获2022年教育部自然科学一等奖（5/6），AIChE’s 2021 Best Applied Paper Award (The South Texas Section)、首届博士后创新人才计划、中科院院长优秀奖、研究生国家奖、香港求是研究生奖、卢嘉锡优秀研究生奖、牛津仪器明日之星奖等多项奖励。2022年入选优秀青年科学基金项目(海外)，2023年4月加入南方科技大学化学系。

李婷婷简介：2023年9月进入南方科技大学吴振禹副教授课题组攻读博士学位，从事先进功能纳米材料的理性设计及应用研究，主要开展电催化氧还原反应、电化学CO2捕获、电化学反应器的设计研究。在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等知名国际期刊发表研究成果。