西北师大、西湖大学AFM：构建高密度且易接近的Co-N4位点以促进锌空气电池中氧还原反应的同步调制策略

第一作者：谢玄，彭辉

通讯作者：马国富*，徐宇曦*

单位：西北师范大学，西湖大学

新能源在使用过程中受到季节和时间的限制，具有间接性和不确定性，极大地影响了能源的利用效率。因此，开发和设计一种转换效率高、稳定性好的能源存储和转换系统势在必行，如锌空气电池（ZAB）和燃料电池（FC）等。在这些电化学反应中，氧还原反应（ORR）的缓慢动力学不利于储能设备中电能和化学能的转换效率。不幸的是，贵金属材料的稀缺性、高价格和差的稳定性阻碍了它们在能量转换设备中的广泛应用。因此，开发价格低廉、催化活性高且耐久性优异的非贵金属催化剂对于加速 FCs 和 ZABs 的商业化非常重要。

近年来，钴-氮-碳单原子催化剂（Co-N-C SACs）以优异的 ORR 性能和较低的芬顿反应活性，有望成为 Fe-N-C SACs 和铂基材料的潜在替代品。然而，最近的研究表明 Co-N-C SACs 的本征活性仍然受到表面活性位点密度的限制。原则上，随着活性位点密度的逐渐增加，载体上两个活性位点之间的距离会逐渐减小，这意味着两个金属原子之间的作用力会进一步增强。这种相互作用力将会导致中心 Co 原子的 Bader 电荷、d 带中心和自旋状态发生变化，进而影响 Co-N-C SAC 的催化活性。此外，碳载体的设计也非常重要，因为较厚的载体材料会掩埋大量的金属位点，不利于制备高密度 SACs。因此，在增加活性位点的同时实现活性位点的充分暴露对于显著提高 Co-N-C SACs 的催化活性非常重要。

近日，西北师范大学生态功能高分子材料教育部重点实验室彭辉云亭青年教授，马国富教授，雷自强教授课题组与西湖大学徐宇曦研究员合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Simultaneous Modulation Strategy to Construct High Dense and Accessible Co-N₄Sites for Promoting Oxygen Reduction Reaction in Zn–Air Battery”的研究工作。该项研究报道了一种高密度和高利用率的Co单原子催化剂（CoH SA/NC）。该催化剂具有优异的 ORR 性能（半波电位为0.874 V）。结构表征和 DFT 计算表明了高密度 Co-N₄位点和多孔结构协同提升了 ORR 催化活性。高密度 Co-N₄位点诱导了 Co-3d 轨道的重新分布，使得 dz2 轨道有足够的电子与 OOH* 物种相互作用，而多孔结构极大地改善了质量传递和活性位点的利用率，最终促进了氧还原反应的动力学过程。最后，将CoH SA/NC作为阴极催化剂，构建水系锌-空气电池，其实用性得到了验证。

A Simultaneous Modulation Strategy to Construct High Dense and Accessible Co-N₄Sites for Promoting Oxygen Reduction Reaction in Zn–Air Battery

马国富：西北师范大学教授，博士生导师，现任生态功能高分子材料教育部重点实验室副主任。主要从事环境友好功能材料相关研究，包括：生态保持及修复材料、电化学能量转化及储存材料。先后在Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A、Small、Chem. Eng. J等学术期刊发表SCI收录论文100余篇，获授权发明专利10余件；科技成果鉴定、评价4项。主持国家自然科学基金3项，中央引导地方科技发展资金项目1项，甘肃省基础研究创新群体项目1项等。荣获2014年甘肃省高校科技进步一等奖，2015年甘肃省自然科学二等奖，2021年甘肃省自然科学三等奖。2022、2023年入选斯坦福大学发布的材料科学、能源技术全球前2%顶尖科学家终身成就榜单。

徐宇曦：西湖大学工学院研究员、博士生导师，国家基金委优秀青年科学基金获得者。主要致力于新型高分子和石墨烯等低维功能材料的化学制备、可控组装复合及其在能源、环境、催化和生物医学中的应用。以第一和通讯作者在Nat. Commun.、Acc. Chem. Res.、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等学术期刊上发表论文80余篇，他引两万多次，获教育部自然科学一等奖和国家自然科学二等奖、2019年中国化学会首届箐青化学新锐奖、2020 Young Innovator Award of Nano Research等多项奖励、入选上海市东方学者特聘教授、中国科协青年托举人才工程、科睿唯安全球高被引科学家、Elsevier“中国高被引学者”，担任Nat. Chem.、JACS、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Mater.等期刊审稿人。