image: 嵌入于分级多孔碳纳米球中的双氧桥连钴双原子位点，可通过侧向桥式吸附机制实现高效四电子氧还原电催化 view more
Credit: ©Science Bulletin
高效的氧电催化对于燃料电池和金属空气电池等新一代能源技术的发展至关重要。然而，作为这些体系中的关键过程，氧还原反应（ORR）通常受到缓慢反应动力学的限制，从而影响整体能量转换效率。尽管铂基催化剂能够有效促进ORR反应，但其高成本和资源稀缺性限制了其大规模应用。
针对这一问题，来自武汉纺织大学和南洋理工大学的研究团队开发了一种钴基双原子催化剂，在避免使用贵金属的同时显著提升了ORR性能。
新型双原子催化剂设计
该催化剂由嵌入在分级多孔碳纳米球中的双氧桥连钴双原子位点构成，被命名为Co-O2-Co/HPCN。该结构通过分子前驱体策略构筑，使催化剂在原子配位环境和分散状态上实现精准调控。不同于传统的单原子催化剂，该材料中的两个钴原子通过双氧原子桥连形成双原子结构，从而在相邻金属中心之间产生协同电子作用。这种结构有助于提高氧分子的吸附和活化能力，从而提升催化反应效率。同时，分级多孔碳骨架提供了互连的微孔和介孔结构，有利于氧气扩散并暴露更多活性位点，从而进一步增强催化性能。
ORR催化效率
电化学测试结果表明，Co-O2-Co/HPCN表现出优异的催化活性。该催化剂的起始电位达到1.016 V，半波电位达到0.916 V，均优于商业Pt/C催化剂。此外，在连续运行35000秒后，该催化剂仍能保持96.6%的初始电流，显示出优异的稳定性。
高性能锌空气电池
研究人员进一步将该催化剂应用于锌空气电池，器件展现出卓越的能量性能。该电池实现了192 mW cm−2的峰值功率密度和802 mAh gZn−1的比容量，明显优于基于铂催化剂的体系。此外，该电池表现出优异的长期稳定性，在 10 mA cm−2的电流密度下可稳定运行超过120小时，且未观察到明显的电压衰减。除传统水系电池外，研究团队还构建了基于该催化剂的柔性准固态锌空气电池。这类柔性电池在弯曲和扭转条件下仍能保持稳定性能，并能够为LED灯板供电，展现出在可穿戴电子设备领域的应用前景。
催化机理解析
为了深入理解催化性能提升的原因，研究人员结合理论计算与原位光谱表征进行了系统研究。结果表明，双原子钴位点能够促进氧分子的侧向吸附构型，从而稳定关键反应中间体，并打破传统氧还原反应中的吸附能标度关系。这一机制有效降低了反应能垒，并加速了氧还原反应过程。
研究人员认为，该研究为设计高性能双原子催化剂提供了一种新的思路，并有望推动基于地壳丰富元素的可持续能源技术的发展。