近日，吉林大学管景奇教授团队利用主客体封装策略构建了具有La₂-N₆结构的双原子La催化剂（La₂-NG）。利用该技术构建的La₂-NG的氧还原反应（ORR）活性高于商业Pt/C，半波电位为0.893 V，将其作为空气阴极组装的锌空气电池（ZAB）表现出优异的催化性能和稳定性。发现了氧化还原过程中La价态的变化和嵌入石墨烯的La₂-N₆结构的动态演化，从而可以合理地调节氧还原中间体的吸附/脱附，并且La₂-N₆结构可以降低反应能垒，促进电荷转移。该研究成果以“A Dual-Atom La₂Catalyst for the Oxygen Reduction Reaction”为题，于6月25号发表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上。

人口的急剧增长和能源的过度消耗推动了能量储存和转换装置的发展。ZABs因其良好的可持续性、便携性、经济可行性和高能量密度而被认为是最有吸引力的候选电池之一。阴极的ORR是制约ZABs效率的关键因素。由于复杂的反应过程和缓慢的ORR动力学，开发低成本和高性能的ORR电催化剂非常重要。稀土镧元素具有大的原子半径、多壳层轨道电子和类芬顿反应惰性，在其上容易形成局域化的高配位结构，有利于反应中间体的吸附。稀土元素具有特殊的4f壳层电子构型，可以引入可调的电子性质和显著的自旋轨道耦合到耦合的d带中心，从而提高电催化性能。并且混合价态的稀土金属可以增强氧化还原性能，从而增强ORR活性。然而，对于单原子镧位点，由于所有最外层s和d电子的损失，几乎空的最外层轨道是稳定的，对于ORR是不活跃的。近年来，作为SACs的扩展，双原子催化剂（DACs）不仅具有SACs的优点，而且具有更灵活的活性中心和更高的金属含量，并且它们之间存在的协同作用可能突破单原子催化剂的限制。然而，目前定向控制构建双原子稀土金属活性位点仍然面临着巨大的挑战。

图1La₂-NG催化剂的合成和形貌表征

通过在焦耳超快加热装置上的快速热解使合成的[La₂(BA)₄(NO₃)₂(phen)₂]前体上的双原子La₂位点嵌入到N掺杂的石墨烯上，合成了双原子La催化剂（La₂-NG）（图1a）。HAADF-STEM结果证实了稳定的耦合La双原子结构的存在。图1e，f显示了La₂位点的形成，碳衬底上存在成对的La亮点。

图2La₂-NG催化剂的电化学性能图

La₂-NG催化剂表现出优异的ORR活性和稳定性，优于商业Pt/C，La₂-NG催化ORR的E_1/2为0.893V，并且具有4e⁻转移路径的高选择性（图2）。此外，La₂-NG基ZAB的开路电压高达1.52 V，最大功率密度和比容量可达192 mW cm⁻²和805 mAh g_Zn⁻¹。基于La₂-NG的ZAB在充放电循环275 h后表现出稳定的可回收性，而基于Pt/C+RuO₂的ZAB仅在120 h后表现出显著的性能下降。

综上所述，该项工作通过焦耳超快加热法制备了一种新型双原子镧催化剂（La₂-NG）。La₂-NG表现出很高的ORR活性和ZAB性能。原位表征和DFT模拟显示La₂-NG优异的ORR性能源于嵌入石墨烯骨架的La₂-N₆活性位点。在ORR过程中，La₂-N₆为中间体吸附提供了有利的途径，降低了决速步的反应势垒，从而提高了La₂-NG的催化活性。此外，氮配位显著增加了La二聚体上的电荷密度，促进了有效的电荷转移，增强了催化过程。该研究为可控制备具有良好ORR活性和稳定性的稀土DACs提供了一种途径，并为深入理解双原子La位对ORR的协同作用机制提供了一种方法。

吉林大学硕士孙婧茹为第一作者。通讯作者为吉林大学管景奇教授、王振旅教授和牛效迪教授。合作团队在吉林大学的研究工作得到了国家自然科学基金、吉林省自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

//doi.org/10.1002/anie.202509063