近日，威斯尼斯官网刘兆清教授在国际知名期刊《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）上发表了题为“Dual-axial Engineering on Atomically Dispersed Catalysts for Ultrastable Oxygen Reduction in Acidic and Alkaline Solutions”的高水平封面论文。
图1. Co/DACN形貌及结构表征
01 研究背景
原子级分散催化剂 (SACs) 是目前燃料电池和金属-空气电池中最有前途的低成本氧催化剂。尽管SACs具有超越贵金属的催化活性，然而其稳定性一直备受诟病，这是导致目前SACs无法走向实际应用去替代传统贵金属催化剂的关键挑战之一。因此，找到解决SACs稳定性问题的关键方案，是其未来走向实际应用的首要任务。
02 研究内容
鉴于此，刘兆清教授团队通过巧妙的热解策略，成功构建了新型的双层单原子催化剂（Co/DACN）。X射线吸收谱实验和理论计算结果表明，Co/DACN伴随着CoN2C3配位环境，形成了独特的Co-C双轴向配位结构（图1）。进一步通过理论计算对其双轴向键的形成机制进行了探索，苯碳（类卡宾特性）的存在是双轴向Co-C键形成的关键。而这种原位生成的独特Co-C双轴向键的形成，一方面促进了层间电子转移，优化了催化剂的催化活性；另一方面，解决了催化剂的热稳定性和化学稳定性问题，最终在酸性和碱性条件下Co/DACN展示了优异的催化活性和超强的稳定性。
图2. Co/DACN双轴向结构形成机制探究
同时，对具有优异催化活性和超强稳定性的Co/DACN的器件服役性能进行测试。结果表明，配备Co/DACN阴极的锌空气电池(ZAB)在10 mA cm-2下可稳定运行1688 h（> 5000 次循环），5 mA cm-2下可稳定运行2336 h（> 7000次循环），这是目前已报道的最稳定的单原子基锌空电池（ZAB）器件。
图3. Co/DACN锌空电池性能测试
最后，基于实验和理论计算，推导了其超强稳定性的作用机理。结果表明：Co/DACN在酸性和碱性ORR过程中超强的稳定性与双轴向Co-C键的设计直接相关，双轴向催化剂在ORR过程中反向C-Co键能够一直保留，是实现超强化学稳定性的关键。综上，这一成果有力地推动了单原子催化剂的应用与发展。
图4. Co/DACN稳定性机制研究
03 研究相关
刘兆清教授和悉尼大学赵慎龙教授为论文的通讯作者，淡猛博士为论文的第一作者，威斯尼斯wns888官方网站为论文第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。
论文链接
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2318174121
