燃料電池和金屬空氣電池在可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)中受到了廣泛關(guān)注。然而，陰極電化學(xué)氧還原反應(yīng)（ORR）緩慢的動(dòng)力學(xué)和高過(guò)電勢(shì)已成為這兩類(lèi)有前景的能源技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。貴金屬Pt基催化劑是目前最有效的ORR催化劑，但由于稀缺性和耐久性較差而難以大規(guī)模應(yīng)用。在過(guò)去幾年中，單原子催化劑（SAC）由于高本征活性和最大化原子利用效率的優(yōu)勢(shì)而成為替代鉑基催化劑的有希望的候選者。與具有單個(gè)活性位點(diǎn)的SAC相比，具有相鄰長(zhǎng)程相互作用的雙活性位點(diǎn)的雙原子催化劑更有利于優(yōu)化局部電子云分布和配位幾何構(gòu)型。相較于一般過(guò)渡金屬，稀土元素很少被用于原子催化劑中，因此合理制備含有p軌道和f軌道元素的雙原子催化劑并理解其協(xié)同調(diào)控機(jī)制仍然具有挑戰(zhàn)性。

面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，香港理工大學(xué)黃勃龍課題組與南開(kāi)大學(xué)杜亞平課題組通過(guò)基于ZIF-8的骨架，在氮摻雜碳載體上構(gòu)建了具有均勻分散的稀土Ce和類(lèi)金屬Se雙原子位點(diǎn)的原子催化劑。Se的引入不僅可以通過(guò)非成鍵長(zhǎng)程相互作用有效調(diào)節(jié)Ce單原子的局域電子結(jié)構(gòu)，還有利于形成具有豐富缺陷的多孔結(jié)構(gòu)，這確保了活性位點(diǎn)最大程度的暴露，有助于加速反應(yīng)中的物質(zhì)傳輸。因此，該工作所制備的 Ce-Se 雙原子催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的ORR 性能，實(shí)現(xiàn)了0.886 V 的半波電位，并且在堿性電解液中具有長(zhǎng)效穩(wěn)定性，明顯比僅用 Ce 或 Se單原子催化劑具有更好的催化性能?；贑e-Se 雙原子催化劑的鋅空氣電池在 296.7 mA cm^?2的電流下實(shí)現(xiàn)了比商用 Pt/C 電池更高的最大功率密度，達(dá)到了209.2 mW cm^?2。DFT理論計(jì)算表明，Se 單原子位點(diǎn)的引入不僅增加費(fèi)米能級(jí)附近的電子密度提高了電子轉(zhuǎn)移效率，還保證了催化劑表面富電子特征，從而保證了中間體在催化過(guò)程中的穩(wěn)定結(jié)合和最佳的過(guò)電勢(shì)。該工作有利于拓展稀土單原子催化劑的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步為提高催化性能用于更多催化反應(yīng)提供了重要的研究思路。

圖1：雙原子催化劑合成路線(xiàn)與基本形貌表征。

杜亞平教授，理學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任天津市稀土材料與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，南開(kāi)大學(xué)稀土與無(wú)機(jī)功能材料研究中心副主任。2004年在蘭州大學(xué)獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2009年在北京大學(xué)獲博士學(xué)位。近期的研究工作主要集中在新型稀土納米結(jié)構(gòu)的研究，承擔(dān)和參加國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青、面上項(xiàng)目、天津市杰青和京津冀協(xié)同創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目等研究課題。近五年以通訊作者或第一作者在Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等刊物發(fā)表論文130余篇，并擔(dān)任中國(guó)稀土學(xué)會(huì)光電材料與器件專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)稀土學(xué)會(huì)稀土晶體專(zhuān)業(yè)委員會(huì)青年委員，中國(guó)化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，兼任期刊RSC Advances副主編，中國(guó)化學(xué)快報(bào)（Chinese Chemical Letters）青年編委、中國(guó)稀土學(xué)報(bào)（Journal of Rare Earths，中、英文版）青年編委、稀土（Chinese Rare Earths）編委等。

黃勃龍教授，2007年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，同年前往劍橋大學(xué)從事材料理論研究，并于2012年獲得博士學(xué)位。2012-2015年，黃勃龍教授于北京大學(xué)跟隨嚴(yán)純?nèi)A院士并在其指導(dǎo)下開(kāi)展博士后研究, 后赴香港城市大學(xué)和香港理工大學(xué)繼續(xù)博士后的相關(guān)研究，并于2015年入職香港理工大學(xué)，目前擔(dān)任應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系副教授與碳戰(zhàn)略催化研究中心主任。黃勃龍教授的研究方向主要為納米材料、能源材料、固體功能材料和稀土材料的電子態(tài)性質(zhì)，以及在能源材料納米表界面、多尺度下的能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用等。目前黃勃龍教授共發(fā)表SCI論文298篇，包括Nature，Science，Energy Environ. Sci.，J. Am. Chem. Soc., Chem. Soc. Rev.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)內(nèi)外頂級(jí)雜志，H-index為75，文章引用次數(shù)超過(guò)19000次, 并多次被選為封面推薦文章。黃勃龍教授被評(píng)為2022、2023年科睿唯安高被引學(xué)者，2022、2023年斯坦福大學(xué)評(píng)選的全球Top2%高被引學(xué)者等。此外，還擔(dān)任《Battery Energy》、《Frontiers in Chemistry》副主編，《JACS Au》、《Nano Research》、《中國(guó)稀土學(xué)報(bào)》、《稀有金屬》、《稀土》的青年編輯或編委，30余次受邀在國(guó)內(nèi)國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告，其中包括2019美國(guó)材料年會(huì)等，并為多個(gè)高影響力期刊如Nat. Phys.,Nat. Commun., Joule, Matter, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Catal., Nano Energy, Energy Environ. Sci.等擔(dān)任特邀審稿人。

Yin L, Zhang S, Sun M, et al. Non-bonding modulations between single atomic cerium and monodispersed selenium sites towards efficient oxygen reduction. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6416-9.