近期，热带海洋工程材料及评价全国重点实验室饶鹏副教授所在团队在能源材料领域Top期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为《Pyridine Nitrogen Decorated Carbon Support for High-performance Seawater Electrolyte-based Zinc-air Battery》的研究论文。2024级博士研究生刘育荣为论文第一作者，热带海洋工程材料及评价全国重点实验室饶鹏副教授、田新龙教授为论文共同通讯作者。

海水锌-空气电池凭借其高功率密度、优异能量转换效率和环境友好特性，在海洋能源存储与利用领域展现出巨大潜力。然而，其阴极侧面临两大关键挑战：氧还原反应（ORR）动力学迟缓和海水中氯离子（Cl⁻）吸附腐蚀导致的性能快速衰减。尽管已有研究通过表面Cl⁻固定或局部Cl⁻抑制策略提升催化剂的稳定性，但这些方法往往忽略了Cl⁻对碳载体本身的电化学腐蚀问题。由于碳材料的亲电特性，Cl⁻会强烈吸附并引发局部腐蚀，逐步破坏碳基质的结构完整性，最终导致催化剂整体失活。

针对这一关键问题，本研究创新性地提出调控碳载体氮物种策略，通过调控特定氮构型含量抑制Cl⁻吸附，从而显著提升催化剂在海水电解质中的ORR活性和耐久性。研究发现，氮元素的不同配位形式（如吡啶氮、吡咯氮、石墨氮）具有独特的电子特性，其中吡啶氮能够在碳表面形成高负电荷环境。基于“同种电荷相斥”原理，这种负电荷界面可有效排斥Cl⁻，大幅降低碳载体的腐蚀风险。本工作采用酶诱导合成策略，在碳载体中精准构筑高含量吡啶氮位点，成功构建具有Cl⁻排斥能力的负电荷界面。密度泛函理论计算证实，所形成的M-N₄(Py)吡啶配位结构可产生显著的局域负电荷分布，从而抑制Cl⁻的吸附与腐蚀作用。同步辐射表征进一步揭示了Fe物种以单原子形式（Fe-N₄(Py)）均匀锚定在碳载体上，其中Fe原子与四个吡啶氮配位，形成高活性且稳定的催化活性中心。得益于这一独特设计，所制备催化剂在海水电解质中表现出卓越的ORR性能：半波电位高达0.907 V，且在10000次加速耐久性测试后活性几乎无衰减，远优于商用Pt/C催化剂。将其应用于海水锌-空气电池的空气阴极时，电池的峰值功率密度达到204.0 mW cm⁻²，比容量高达800 mAh g⁻¹_Zn，展现出优异的实际应用潜力。

本研究通过调控碳载体的吡啶氮含量，创新性地构建了Cl⁻排斥保护层，不仅提升了金属活性位点的抗中毒能力，还从根本上增强了碳载体自身的抗腐蚀性能，为海水锌-空气电池的高效稳定运行提供了全新的解决方案。这一策略不仅适用于ORR催化体系，还可为其他涉及腐蚀性电解质的能源器件设计提供重要借鉴。

图1 吡啶氮构筑负电荷界面示意图

该工作得到了海南大学高层次人才科研启动基金（KYQD(ZR)23169）、国家自然科学基金（52164028、52274297）和海南省研究生创新研究项目（Qhyb2024-95）的支持。此外，该论文相关材料表征工作也得到了海南大学皮米电镜中心的支持和帮助。

论文DOI: 10.1002/anie.202509911