近日，我院的苏徽教授联合吴雄伟教授的能源催化研究团队在锌-空气电池领域的研究取得重要进展，在国际化学顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed. 发表了题为 “Dynamic-Coupling Axial Chloride on Dual-Heteroatom Sites for Highly Anti-Chloride Oxygen Reduction in Seawater” 的学术论文。
电催化氧还原反应（ORR）在金属-空气电池、燃料电池等储能与转化技术中扮演关键角色。目前多数四电子 ORR 研究依赖高纯度淡水，而海水因其天然离子的丰富性成为极具吸引力的替代方案——天然离子与金属活性位点的配位可调控催化中心电子结构、进而提升电催化性能。然而，直接运行于海水电解液的电池体系仍处于起步阶段，主要受制于 O–O 键解离能高、多电子转移选择性差等瓶颈；更重要的是，海水中高浓度的氯离子（Cl−）及 Mg2+、Ca2+ 等干扰阳离子会严重削弱催化运行的耐久性。具体而言，Cl− 吸附于催化位点会竞争性抑制氧还原动力学，并促进 H2O2 与 ClO− 物种生成，加速催化剂降解，最终损害器件的运行效率与耐久性。因此，开发能适应海水复杂四电子/质子耦合氧还原动力学、同时保证长期稳定的高效低成本 ORR 电催化剂，仍是一项重大挑战。
图1：原位同步辐射技术研究海水氧还原反应机制
本研究提出一种“动态轴向氯配位”策略，通过精密构筑 氧-桥接双异原子催化剂（FeMn DHACs），在海水体系中实现了超高的电化学 氧还原(ORR) 活性。在电化学 ORR 过程中，电解液诱导的电子转移会动态重构原子配位环境，驱动 FeMn DHACs 原位演化为 Cl 配位的 FeMn DHACs；这种动态轴向氯配位提升了 Fe 中心的有效氧化态、促进含氧中间体解离。更重要的是，本文引入了一个此前被低估的概念——海水中的氯离子主动参与并调控催化剂配位结构，显著提升 ORR 活性（E1/2 由 0.89 V 提升至 0.941 V）。这些发现不仅深化了对 Fe 基 ORR 电催化剂的理解，也凸显了海水电解液中混合离子的非惰性作用，为电化学能源转化中的“电解液–催化剂”协同设计开辟了新机遇，该策略有望拓展至其他多电子转移反应体系。
本研究得到了国家自然科学基金和湖南省自然科学基金的支持。文章的通讯作者是湖南师范大学苏徽教授、吴雄伟教授和斯坦福大学Zisheng Zhang助理教授，第一作者为我校2023级硕士研究生李世宇。湖南师范大学和斯坦福大学为本论文的共同通讯单位。
论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.3482426
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/huisu