全球能源危机和环境污染急需可持续和清洁能源技术迅速发展，金属-空气电池由于其高理论能量密度、低成本和环境友好，是下一代储能系统的优异候选者，但阴极侧动力学缓慢的氧还原反应（ORR）严重限制了其性能。因此开发高效且低廉的催化剂，对于实现金属-空气电池的广泛应用至关重要。
非晶态金属有机框架（MOFs）因具有丰富的活性位点和可调的电子结构等优点是具有极大发展潜力的ORR催化剂。但存在金属位点的化学环境难以调控和稳定性不足等问题。通过引入合适的载体可以优化非晶态MOFs的化学环境，并缓解其结构稳定性差的问题。沸石分子筛是一种良好的多相催化剂载体，被广泛应用于热催化和传统化学工业。然而，沸石分子筛的电绝缘特性严重限制了其在电催化领域的应用。
西北工业大学张震教授率先提出通过在方沸石分子筛（Anl）骨架上引入La原子，显著提高了Anl的本征电导率，实现了电子电导率提升四个数量级，使其成为优异的电催化材料载体。并将无定形双金属FeCo MOFs原位固定在Anl表面，导电La-Anl精准调控了FeCo MOFs的电子结构和配位环境，实现了高活性和高稳定性的ORR催化剂。在实际锌空气电池应用中，可稳定运行超过120小时。
张震教授率先发展了导电沸石分子筛电催化材料（J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 6397；Adv. Mater. 2024, 36, 2407266），该工作是在此系列研究的基础上，进一步探索了导电沸石分子筛材料在氧还原反应和锌空气电池领域的应用潜力。
图1. 催化剂设计和结构表征
首先，系统地研究了La的掺杂对Anl结构及形貌的影响，XRD及SEM结果表明La成功引入到Anl的骨架，并未对Anl的结构与形貌造成明显的改变。此外，通过原位生长法将FeCo MOFs均匀地固定在La Anl表面，并展现出优异的结构稳定性。
图2. 催化剂的电子结构分析
进一步研究了La-Anl对活性中心Fe化学环境的调控作用，结果表明La-Anl载体和无定形的FeCoMOFs之间发生了显著的电荷转移，导致FeCoMOFs中Fe3+部分还原为Fe2+，促进ORR反应过程中氧分子活化，稳定了四电子转移途径，使得催化活性显著提高。
图3. 电子传导行为研究
随后研究了催化剂的电子传导行为，能带结构分析结果表明FeCoMOFs@La Anl催化剂价带最低，并且其显著缩短了带隙。证实了La原子掺杂和MOF协同调节Anl的电子结构，实现了有效的能带结构调控，提高了本征电子电导率，加速了ORR中的电子转移，使其展现出优异的催化活性。
图4. 催化剂的ORR性能
电化学测试结果表明，FeCoMOFs@La Anl催化剂展现出高的半波电位0.85 V，与商用Pt/C催化剂活性相当，并具有优异的稳定性，在长时间保持恒定电势后其活性保持率为91%以上。将其组装为锌空气电池，在194.3 mA cm-2的电流密度下实现了110.9 mW cm-2的功率密度，根据消耗的锌的质量，其在10 mA cm-2下的比放电容量为871.1 mAh g-1，明显优于Pt/C。并保持稳定持续工作了120 h以上，具有优异的稳定性。
图5. 基于原位拉曼光谱的反应机理研究
利用原位拉曼测试对反应过程中的中间体进行了检测，进一步对反应机理进行了研究，结果表明反应中间体*O2和*OOH表现出显著的电位依赖性，其峰强随着电位的降低而逐渐增强，表明催化剂表面*O2和*OOH中间体的稳定性增强。此外，通过拉曼峰高的对数与施加的电位作图时线性回归的斜率（R），对电势与中间体吸附强度的关系进行了描述，反映了中间体形成速率和消耗速率之间的平衡，表明FeCoMOFs@La Anl催化剂具有优异的反应动力学。
张震，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，陕西省高层次人才。长期致力于能源电催化材料和器件研究。主持加拿大国家级产学研项目、国家外国专家项目、国家自然科学基金、中国航天科工集团三千万级技术开发项目课题、陕西省高层次人才引进计划、陕西省自然科学基础研究计划重点项目等十余项科研项目。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Adv. Mater.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Sci. Bull.、Adv. Energy Mater.（2篇）、ACS Nano（2篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、ACS Catal.等国际重要期刊发表论文，ESI高被引论文14篇，论文总被引5500余次，H因子38。入选陕西省高层次人才、西安市科协青年人才托举计划、西北工业大学翱翔海外学者，获得国际先进材料学会先进材料奖、加拿大Mitacs卓越奖、国家优秀自费留学生奖学金、滑铁卢纳米技术奖等。担任中国化学会Renewables期刊学术编辑，多个SCI期刊的首席专刊编辑或编委，担任2025 Renewables可再生能源国际会议分会主席。
个人主页：https://teacher.nwpu.edu.cn/zhenzhang
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研究方向：能源电催化材料和器件，包括二氧化碳还原反应、氧还原/析氧反应、析氢/氢氧化反应、氮还原反应，及其在高附加值产品电合成、燃料电池、电解水、金属空气电池等应用，以及理论计算与模拟、人工智能等。
Conductive Lanthanum Ion-Implanted Zeolite-Supported Amorphous Metal–Organic Frameworks for Oxygen Reduction Reaction. Adv. Funct. Mater. 2025, 2510605
https://doi.org/10.1002/adfm.202510605
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