阐明纳米指纹碳固锚单原子与簇在氧还原反应中的活性-稳定性权衡

这种新型电池材料为何重要

在全球寻找更清洁的动力来源为汽车、电子设备和电网供能之际，科学家们正竞相用更便宜的材料取代燃料电池和金属-空气电池中昂贵的铂。本研究报道了一种由铁、锌、氮和碳等廉价元素构成的新型催化剂，在某些电池体系中可与铂媲美甚至优于铂，同时在数千小时内保持稳定。弄清这种材料的工作机理，有助于推动更持久、更经济的清洁能源技术的发展。

缓慢的空气反应制约清洁能源发展

燃料电池和金属-空气电池通过称为氧还原反应的过程，将空气中的氧转化为电能。该反应出人意料地缓慢，因为它涉及多个紧密耦合的电子和质子传递步骤。目前表现最好的仍是基于铂的催化剂，但铂价格高、储量有限，并且在许多下一代设备所用的碱性电解液中稳定性不足。这推动研究者转向掺杂铁和氮的碳材料，在碳载体上分散单个金属原子。这类单原子位点可以具有很高活性，但往往对反应中间体结合过强并随时间聚集，从而降低性能和寿命。

由原子与微簇构成的混合表面

研究团队设计了一种复合催化剂，有意将不同类型的铁与锌位点组合到经过特殊构形的碳表面上。他们以多孔晶体ZIF‑8为模板，过量引入铁前驱体后在1000 °C下加热。在这种条件下，材料重排形成氮掺杂的碳骨架，负载孤立的铁和锌原子、超小的铁簇，并被卷曲的多层“纳米指纹”碳壳包裹。电子显微镜显示约8纳米宽的指纹状碳环，明亮的单点代表孤立原子，而稍大的斑点区域则标示嵌入弯曲层间的铁簇。

分辨各部分的具体作用

为弄清每种成分的作用，研究者制备了一系列相关样品：有无簇、有无指纹碳层。通过比较它们的性能发现，单个铁和锌原子位点主要触发反应，而铁簇作为电子助推器提升这些原子位点的本征活性。与此同时，卷曲的碳层充当物理与电子的笼子：将原子与簇彼此限制在近距并帮助防止它们在运行中迁移和聚集。在碱性溶液中，完整的混合催化剂达到0.93 V的半波电位，优于商业化的铂碳以及所有更简单的对照材料。经过50小时连续测试和10,000次电压循环，活性衰减甚微，尤其在存在指纹碳层的情况下。

弯曲碳与邻近金属如何调控反应

计算模拟提供了为什么这种组合如此有效的更深入视角。作者对平面碳、弯曲碳（类似于纳米管或富勒烯样笼）上的单个铁-氮位点，以及有无邻近锌原子和铁簇的情形进行了建模。他们关注一个关键反应中间体——羟基（OH）片段与铁中心的吸附强度。在平面碳上，OH结合得过紧，拖慢了应当脱附的最后一步。随着碳的弯曲，内在应变和不均匀的电子分布削弱了铁-氧键，使得OH更易脱离。加入邻近的锌原子和铁簇进一步调整了局部电子结构，细微地移动了铁d轨道的能级，使吸附既不太强也不太弱。弯曲性与协催化位点共同将体系推向理论预测的对氧还原反应快速进行的“恰到好处”平衡。

从实验室催化剂到长寿命锌-空气电池

任何新催化剂的真正考验是它在工作装置中的表现。作为锌-空气电池的空气电极时，该混合材料提供了约264 mW/cm²的峰值功率密度，远高于在相同条件下组装的铂基电池。更引人注目的是，使用该催化剂的可充电锌-空气电池在恒定电流下稳定运行超过2200小时，工作电压仅发生微小变化。循环后的显微结构表明指纹碳壳和大多数单原子位点保持完好，仅在少数点出现轻微聚集。作者指出，向商业化设备迈进时，改进液体电解质与更好的催化剂同样重要。

对未来清洁能源的意义

简而言之，这项研究表明，通过精心混合单原子、超小簇和弯曲的碳壳，可以打破空气呼吸式能量器件在活性与耐久性之间的常见权衡。通过使用廉价元素并在原子尺度上工程化局部环境，研究者们打造出在碱性介质中可与铂竞争或超过铂性能的催化剂，并实现了寿命创纪录的锌-空气电池。这种多组分“纳米指纹”设计为构建下一代稳健、高效的燃料电池、金属-空气电池及其他清洁能源技术的催化剂提供了路线图。

引用: Li, F., Wu, Q., Zhou, Y. et al. Elucidating activity-stability trade-offs in nano-fingerprint carbon anchoring single atoms and clusters in oxygen reduction reaction. Nat Commun 17, 3598 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70446-8

关键词: 锌-空气电池, 氧还原反应, 单原子催化剂, 纳米结构碳, 非贵金属电催化剂