近日，材料科学与工程学院邓意达教授团队在知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Cobalt atom-cluster interactions synergistically enhance the activity of oxygen reduction reaction in seawater”的研究论文。
海水电催化技术，如海水电解和金属燃料电池，为直接将海水转化为氢能和电力驱动海上设备工作提供了巨大的潜力。海水利用技术多为电化学装置，其中氧还原反应（ORR）催化剂活性和稳定性是决定海水储能和转换电池系统整体性能的核心。然而，与传统碱性电解质燃料电池不同，海水中氯离子（Cl−）的存在会严重降低阴极电催化剂的ORR活性和耐久性，例如Cl−在电催化剂表面催化位点的吸附会抑制氧分子的吸附，阻碍O-O键的断裂，诱导ORR路径从四电子向双电子转移。因此，在恶劣的海水环境中，催化剂应满足如下要求：（1）催化活性位点应具有与Cl−较弱的相互作用；（2）催化剂应具有更多的活性位点暴露以增加与反应活性物质的接触；（3）活性位点应该具有适中的电子与化学键合结构以提升催化活性与稳定性。
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基于此，海南大学邓意达教授、郑学荣教授、王浩志副研究员等人设计了一种原子级电催化剂，即由卫星Co单原子（Co-SAs）包围的Co原子团簇（Co-ACs）构成的电催化剂（Co-ACSAs）。理论计算结果表明，Co-ACSAs中的Co原子团簇具有较强的Cl−吸附能力，但对O2的吸附能力较低。相反，Co单原子对Cl−的吸附能力较低，而对O2的吸附能力较强。在该理论计算的启发下，我们推测在海水环境中，Co-SAs附近的Co-ACs可能在保护Co-SAs免受Cl−中毒方面发挥关键作用，而Co-SAs位点上较强的O2吸附能力将有助于促进海水电解质中对溶解氧的捕获。基于这一理念，我们利用超快高温闪烧（HTS）策略，将Co-ACs和卫星Co-SAs稳定地锚定在N掺杂碳基底上。实验与计算证明，由于Co-ACs和Co-SAs之间的最佳距离，Co-ACs通过与Co-SAs通过相互连接的六原子环来调节附近的电子结构，从而促进氧活性物质在Co-SAs上的吸附。并通过降低ORR反应能垒，加速了OOH*的形成。在天然海水中，Co-ACs和Co-SAs之间的强相互作用导致了卓越的ORR活性和稳定性，明显优于纯相的Co-SAs和Co纳米颗粒（Co-NPs）催化剂。采用Co-ACSAs作为阴极电催化剂，组装的海水电池其峰值功率密度达到96 mW cm−2；在电流密度为5 mA cm−2时，保持稳定至少380小时；在天然海水中，放电电压可达到1.46 V。这项研究为深远海域用电器提供长期稳定能源提供了可行的ORR电催化剂，并在海水电催化方面取得了显著的性能改进。
海南大学为该论文第一完成单位。海南大学材料科学与工程学院郑学荣教授、王浩志副研究员、邓意达教授为共同通讯作者，共同第一作者为海南大学材料科学与工程学院博士研究生芦俊达、天津大学材料科学与工程学院博士研究生卢琪。
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.103093
