哈工大（深圳）徐成彦/福建物构所温珍海AFM：高载量Co单原子和团簇共同促进ORR活性提升

第一作者：章梦甜

通讯作者：徐成彦，温珍海

单位：哈尔滨工业大学（深圳），中国科学院福建物质结构研究所

近年来，具有高原子利用率、配位环境可调和不饱和金属配位的单原子催化剂(SACs)在多种电化学反应(如HER、CO₂RR、ORR)中表现出高活性、良好的稳定性和高选择性。

然而，SACs在实际应用中还存在一些问题，例如，SACs的催化活性往往受到活性位点数量的限制，因为大多数SACs通常在有限的负载(通常小于5wt%)下制备以减少合成过程中的金属团聚。另一个问题是这些单原子的稳定性，由于单个金属原子的表面自由能较高，热力学不稳定，在长期的催化过程中容易团聚成纳米颗粒，导致SACs的催化活性降低。因此，迫切需要开发高金属负载和高稳定性的SACs以改善ORR性能。

基于此，来自哈尔滨工业大学（深圳）的徐成彦教授与中国科学院福建物质结构研究所温珍海教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“High-Loading Co Single Atoms and Clusters Active Sites toward Enhanced Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction for High-Performance Zn–Air Battery”的文章。

本文提出了一种简单的自牺牲模板策略，通过热解双氰胺生成的层状g-C₃N₄作为牺牲模板，提供丰富的锚定位点，在富氮多孔石墨烯上锚定Co单原子和Co团簇，合成了一系列Co SAs/AC@NG催化剂。其中，Co₄₀SAs/AC@NG中Co负载量高达14.0wt%。结合实验和密度泛函理论(DFT)计算，作者发现Co₄₀SAs/AC@NG中Co单原子和团簇与氮掺杂碳基底共同提升了ORR活性，使得Co₄₀SAs/AC@NG的活性优于Pt/C催化剂。此外，Co₄₀SAs/AC@NG在锌空气电池中表现出优异的性能，具有较高的功率密度和较强的循环稳定性，显示出优异的储能应用潜力。

图1. Co₄₀SAs/AC@NG的合成示意图和形貌表征

图2. 不同Co SAs/AC@NG催化剂的球差矫正HAADF-STEM表征

图 3. 不同Co SAs/AC@NG催化剂的XPS 和XAFS结构表征

图4. 各催化剂在0.1 M KOH溶液中的ORR性能

图5. 密度泛函理论计算

图6. Co₄₀SAs/AC@NG和Pt/C作为阴极催化剂组装的锌空气电池性能

采用g-C₃N₄自牺牲模板法合成了锚定在多孔氮掺杂石墨烯上的Co单原子和团簇催化剂 (Co SAs/AC@NG)，Co₄₀SAs/AC@NG中Co的载量高达14 wt%。

要点二：高载量Co单原子和团簇共同促进ORR活性提升

结合实验表征和DFT计算证明了Co单原子和团簇对ORR活性提升起到关键作用，所制备的Co₄₀SAs/AC@NG具有最佳的碱性ORR性能，半波电位为0.890 V，优于商用 Pt/C。

要点三：优异的锌空气电池性能

以Co₄₀SAs/AC@NG作为空气阴极催化剂组装的锌空气电池显示出高的开路电位 (1.5 V)、较大的功率密度 (221 mW cm^-2)以及优异的稳定性。

High-Loading Co Single Atoms and Clusters Active Sites toward Enhanced Electrocatalysis of Oxygen Reduction Reaction for High-Performance Zn–Air Battery

徐成彦教授简介：工学博士，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院教授、博士生导师，国家“WR计划”青年拔尖人才计划。主要研究方向为：二维半导体材料的合成及其在光电、能源和生物医学域的应用。迄今为止，以第一/通讯作者在Nat. Comm.、JACS、Angew. Chem.、Sci. Bull.等国内外主流期刊发表研究论文110余篇，并为Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.等期刊撰写多篇综述，论文被引用8900余次，H-index为54。

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