近日，yd12399云顶集团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yd12399云顶集团的闫岩教授，共同通讯作者是我校yd12399云顶集团刘明凯教授、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yd12399云顶集团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）