华中师范大学，Nano Lett：仿生催化助力电催化！抗氧化纳米酶增强FeNC催化剂ORR稳定性！

第一作者：邱怡薇，吴俣

通讯作者：朱成周 教授，Yusuke Yamauchi教授

第一单位：华中师范大学

FeNC单原子催化剂被认为是最具发展的氧还原（ORR）催化剂之一，在提高其催化活性方面目前已经存在大量的研究工作。而在催化过程中，FeNC单原子催化剂也面临着稳定性不足的挑战，有研究表明，脱金属和碳腐蚀是严重影响FeNC的稳定性因素。其中反应过程产生的活性氧（ROS）会破坏FeNC催化剂，造成催化剂的稳定性急剧下降。

ROS在体内通过生物新陈代谢持续不断地产生，过量的ROS会引起氧化应激，甚至是氧化损伤。而生物体内抗氧化体系中超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）能够自主清除ROS，但不牺牲人体新陈代谢的活性。

近日，来自华中师范大学的朱成周教授与昆士兰大学的Yusuke Yamauchi教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Improvement in ORR Durability of Fe Single-Atom Carbon Catalysts Hybridized with CeO₂Nanozyme”的研究论文。该研究论文从仿生催化的角度出发，利用具有类SOD和类CAT活性的CeO₂纳米酶原位清除FeNC单原子催化剂ORR过程中产生的ROS，在不牺牲FeNC单原子催化剂的活性的情况下，提高催化剂的稳定性。

CeO₂作为一种新型的纳米酶，同时具有类SOD和类CAT活性，能够清除ORR过程中产生的多种ROS副产物如羟基自由基（·OH）、超氧阴离子自由基（O₂·-）和过氧化氢（H₂O₂）。和自然酶相比，CeO₂纳米酶同时具有多种类酶活性，且能够在更复杂的条件下达到ROS清除的目的。

FeNC/CeO₂具有和商业Pt/C相当的优异ORR性能，结果表明适量CeO₂的引入不会对FeNC的活性造成影响。但FeNC掺入CeO₂后H₂O₂产率显著降低，半波电位及电化学活性面积变化变小，稳定性显著提高。电化学性能测试实验证实了引入抗氧化的CeO₂纳米酶能够提高FeNC催化剂的稳定性而不降低其活性。

在电催化ORR的过程中，FeNC催化剂会因为不完全催化以及Fenton反应产生·OH、O₂·-和H₂O₂等ROS，这些ROS会攻击催化剂严重影响其稳定性。该工作引入具有类SOD和类CAT的CeO₂纳米酶，利用电化学原位EPR，扫描电化学显微镜（SECM）及原位红外等表征手段，证实了CeO₂纳米酶能够原位清除ROS，达到提高FeNC催化剂稳定性的目的。

作为概念验证，将FeNC/CeO₂作为阴极材料组装成锌空电池，该催化剂在锌空电池中表现出优异的综合性能，和商业Pt/C相比具有更好的开路电压、峰功率密度。和FeNC和商业Pt/C相比，其电池的稳定性也得到了提高。

本文旨在将仿生催化和电催化结合起来，受生物体内抗氧化体系启发，利用纳米酶来清除FeNC催化剂ORR产生的ROS，提高电催化剂的稳定性，这一工作为设计具有高稳定性的ORR催化剂提供了新的解决方案。