近日，材料與能源學院（云南省先進能源材料國際聯合研究中心）郭洪教授團隊以云南大學為唯一通訊單位，在國際著名期刊Energy Storage Materials （即時影響因子20.95）發表新能源存儲材料最新重要進展“Understanding Electronic Configurations and Coordination Environment for Enhanced ORR Process and Improved Zn-air Battery Performance” (Energy Storage Materials, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.05.006)。2020級碩士研究生梅至遠為論文第一作者，郭洪教授為通迅作者。

鋅－空氣電池因其高的理論比容量和安全性而受到科研工作者廣泛的關注，然而緩慢的陰極氧氣還原反應（ORR）動力學嚴重限制了其在實際中的應用，同時鉑（Pt）基ORR催化劑的高價格也促使人們尋找低成本高性能的催化劑。目前許多工作已經證明Fe-N4結構的材料具有出色的ORR活性，然而平面四邊形結構的Fe-N4部分在ORR過程中總是會變為貧電子區域，最終降低ORR的效率。引入富電子載體來提高催化劑的ORR性能是一種常見的策略，但Fe中心的本征活性以及Fe-N4與載體之間的協同作用總是被人忽略，因此要徹底了解氧電催化的過程，應深入研究原子軌道相互作用和電荷傳輸行為。

基于目前的研究現狀以及面臨的問題，并結合前期的研究基礎（Hong Guo*, et. al, Nano Energy, 2021, 106756; Energy Storage Mater., 2021, 139; Adv. Funct. Mater., 2021, 2101019; ACS Energy Lett., 2020, 1022-1031），郭洪教授團隊以還原氧化石墨烯（rGO）為供電子載體、酞菁鐵分子（FePc）為反應位點，通過濕化學方法一步制備出負載型的ORR協同催化劑（FePc＆rGO）。此方案可同時實現對催化劑活性位點（Fe-N4）的電荷密度以及Fe離子3d層電子結構的調控（圖1），此外FePc＆rGO不僅在堿性介質中展示出優于商業Pt/C催化劑的ORR性能，由該催化劑組裝的鋅－空氣電池（液態、準固態）也具有令人滿意的實際應用潛力，這種活性位點內外部雙重優化的策略可為氧電催化劑的機理研究提供新的思路與見解。

圖1. Fe離子3d層電子構型；Fe-N4部分的電荷密度。

該研究成果得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、云南省科技廳－云南大學聯合重點基金、省先進能源材料國際聯合研究中心、省高校全固態離子電池重點實驗室項目及云南大學研究生科研創新項目的支持。