近日，吉林大學管景奇教授課題組利用超快打印方法合成了三原子鈷催化劑（Co3-NG）。利用該技術構建的Co3-NG催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能ORR/OER活性，將其作為空氣陰極組裝的ZAB表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)了三角錐形的活性位點有效調節(jié)了Co原子的d帶中心位置和電子構型，揭示了Co3ON6活性位點的電子結構和幾何構型對催化性能的協(xié)同調控機制。研究成果以“A Triatomic Cobalt Catalyst for Oxygen Electrocatalysis”為題，于近期發(fā)表在Angew. Chem.Int. Ed.期刊上。

可充電鋅空氣電池因其卓越的儲能潛力正引發(fā)廣泛關注。這種電池體系展現(xiàn)出令人矚目的特性，具有理論能量密度高，原料成本低，環(huán)境友好和安全性好等優(yōu)勢。其工作原理基于放電時的氧還原（ORR）與充電時的氧析出（OER）這一對可逆電化學反應，但這兩個過程的緩慢動力學特性猶如“卡脖子”環(huán)節(jié)，導致實際能量轉換效率難以突破60%的瓶頸。當前技術困境集中體現(xiàn)在催化劑層面。雖然鉑族金屬催化劑（如Pt/C、IrO2和RuO2）能夠提供必要的催化活性，但其應用面臨三重制約：單件電池的貴金屬用量導致成本激增，多數催化劑僅專精單一反應，且在強堿環(huán)境中易發(fā)生活性衰減。這種“高成本-低效能”的矛盾嚴重阻礙了產業(yè)化進程。在這一背景下，三原子催化劑（TACs）嶄露頭角，它巧妙融合了單原子催化劑的原子利用率和雙原子催化劑的協(xié)同效應，同時進一步提升了活性位點密度，并為反應中間體的吸附提供了更多可能性。然而，如何在原子尺度精準構筑這種“三足鼎立”的活性中心，仍是材料化學領域亟待攻克的科學難題。

圖1Co3-NG催化劑的合成和形貌表征

通過靜電作用將預先合成的三原子鈷簇前驅體吸附在石墨烯上，利用焦耳熱高溫沖擊波技術將前驅體快速錨定到載體上得到三原子鈷催化劑（Co3-NG）。透射電鏡結果顯示鈷均勻地分散在石墨烯納米片上，球差電鏡結果證實了鈷三原子位點的存在。

圖2Co3-NG催化劑的電化學性能圖

Co3-NG催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能ORR/OER活性和穩(wěn)定性，優(yōu)于商業(yè)Pt/C和RuO2，Co3-NG催化ORR的E1/2為0.903 V，OER在10 mA cm?2的電流密度下的過電位為366 mV。此外Co3-NG組裝的ZAB具有優(yōu)異的性能。其最大功率密度和比容量可達到189.0 mW cm?2和770.3 mAh gZn?1。此外，Co3-NG組裝的ZAB在充放電循環(huán)500 h后輸出電壓幾乎保持不變，而Pt/C+RuO2組裝的ZAB在120 h后出現(xiàn)明顯的退化。

綜上所述，該項工作利用超快打印技術成功制備了具有優(yōu)異雙功能催化活性的三原子鈷催化劑（Co3-NG）。發(fā)現(xiàn)了三角錐體的活性位點有效調節(jié)了Co原子的d帶中心和電子構型，揭示了Co3ON6活性位點的電子結構和幾何構型對催化性能的協(xié)同調控機制。該項工作為高效雙功能氧電催化劑的設計提供了新方法，也為氧電極的催化機理研究提供了新思路。

吉林大學博士生唐甜蜜為第一作者，通訊作者為吉林大學管景奇教授。研究工作得到了國家自然科學基金和吉林省自然科學基金的支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503019

（來源：吉林大學 版權屬原作者 謹致謝意）