近日，化学与化工学院多相催化团队与中国科学技术大学合作，通过调控钴单原子d轨道电子的空间分布，开发出一种应力应变效应的钴单原子材料，这种阴极催化剂可促进锌-空电池在零度以下有效运行。相关成果以“Orienting Electron Fillings in d Orbitals of Cobalt Single Atoms for Effective Zinc–Air Battery at a Subzero Temperature”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，论文的第一作者是我校化学与化工学院的闫岩教授，共同通讯作者是我校化学与化工学院刘明凯教授、曾杰教授，以及中国科学技术大学李洪良副教授。安徽工业大学为论文的第一完成单位。《Advanced Functional Materials》是材料科学与技术领域顶级学术刊物，具有重要的国际影响力。

氧还原反应是燃料电池/金属空气电池中实现高效能量转换的关键技术，对于推动清洁能源技术的发展和应用具有重要意义。目前的高效催化剂往往适用于室温氧还原电催化。但是，在月球、北极/南极和高原等极端环境通常要求电池在低温甚至零下温度区间运行。目前，人们对催化剂在零度以下的氧还原活性以及其作用机理研究较少。

我校化学与化工学院多相催化团队开发了一种受压缩应力的钴单原子催化剂，其不仅能增强氧还原反应活性，还能作为空气电极在零度下促进锌-空气电池的充放电。研究团队在具有极小曲率半径（约2 纳米）的高度弧形碳层上担载钴单原子（Arc-Co-SAC）来产生压缩应变，这种局域压缩应力诱导钴单原子d轨道不同空间取向的电子发生了重新分布，径向（xy平面）电子填充数增加，从而增强了其与活性中间体分子的有效电子轨道重叠程度，提高了氧还原的活性（图1）。

图1. 压缩应变诱导d轨道电子重新分布以及中间体和催化剂之间的d-p杂化。

图2. 应力钴单原子催化剂的制备示意图、形貌及单原子表征。

图3. 单原子周围化学键所受应力分布。

得到的应力单原子钴催化剂作为电锌-空气电池的阴极材料，展现出对氧还原反应和氧析出反应的优异活性和稳定性（图4）。使用应力单原子钴作为阴极的锌-空气电池达到了最高比容量781.95 毫安时每克，超过了单原子钴（706.3毫安时每克）和商业化铂碳铱碳（660.5毫安时每克）。应力单原子钴基锌-空气电池在最大功率密度上达到120 毫瓦每平方厘米。并且以应力单原子钴催化剂作为阴极的柔性锌-空气电池可以驱动一系列红色二极管发光，探索了应力单原子钴催化剂在柔性电源设备中的可行性。

图4. 由应力单原子钴催化剂组装的锌-空气电池性能测试图。

作者进一步探索了应力单原子钴在低温锌-空气电池中的实际应用。结果表明，在-40°C下，应力单原子钴展现出高达1.42V的高开路电压，并提供54.8毫瓦每平方厘米的峰值功率密度，可以提供858毫安时每克的比容量，这优于商业化Pt/C+Ir/C的性能。即使在-40°C的弯曲状态下，串联的三个锌-空气电池仍能为多个二极管供电，说明应力单原子钴在极低温度下作为可靠电源电极材料的潜力。

总结：多相催化团队通过设计了具有压缩应力钴单原子催化剂，实现了在低温下能够稳定运行的锌-空气电池，压缩应变减少了成键d轨道的电子，激活了金属原子的未成键d轨道，从而增强了对关键氧中间体的吸附。这项研究为低温锌空气电池提供了一种高效的催化剂，探索了对应力应变增强催化活性的深度理解。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202316100

（撰稿：刘明凯 审核：韩新亚 黄宇弦）