表面工程化Ce-O键构筑策略突破原子效率极限：镁空气电池中高效氧还原催化剂的设计与性能

本研究针对金属-空气电池氧还原反应(ORR)中催化剂原子效率与稳定性难以兼得的难题，通过表面工程策略构建Ce-O键合结构(Ce-SD-MnO2)，相比传统体相掺杂(Ce-BD-MnO2)显著提升活性位点利用率。HAADF-STEM与XAFS证实表面锚定Ce原子诱导晶格畸变产生协同缺陷，理论计算揭示其优化Mn d带中心并降低*OOH吸附能。应用于镁空气电池时实现120.7 mW cm?2峰值功率密度和98.5%电压保持率，为设计高效能源转换催化剂提供新范式。

　　

研究背景与意义
金属-空气电池作为新一代储能器件，其性能瓶颈在于氧还原反应(ORR)的缓慢动力学。虽然铂基催化剂仍是黄金标准，但其高昂成本和结构不稳定性严重制约实际应用。近年来，二氧化锰(MnO₂)因其多价态特性和丰富的氧空位成为潜力载体，但本征结构易在反应电位下坍塌。与此同时，稀土元素铈(Ce)独特的4f电子构型被证明可稳定缺陷结构，但传统掺杂策略常导致活性位点埋藏或团聚。如何通过原子级精准调控实现活性与稳定性的双重突破，成为该领域亟待解决的核心问题。

研究方法与技术路线
山东某研究团队通过对比表面锚定(Ce-SD-MnO₂)与体相掺杂(Ce-BD-MnO₂)两种策略，采用球磨法构建表面Ce-O配位结构，水热法则用于传统掺杂。结合高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)和X射线吸收精细结构(XAFS)解析原子结构，通过第一性原理计算电子结构特性，最终在镁空气电池中验证性能。

主要研究结果

1. 材料设计与表征：XRD证实两种催化剂均保持MnO₂晶型，无Ce物种独立相。HAADF-STEM显示表面工程样品存在局部晶格畸变，而体相掺杂仅引起非活性膨胀。
2. 电子结构调控：XAFS证实Ce-SD-MnO₂形成Ce-O-Mn配位网络，理论计算表明其将Mn d带中心上移0.35 eV，同时提高费米能级附近电荷密度。
3. 催化性能突破：Ce-SD-MnO₂半波电位达0.84 V，H₂O₂产率仅1.2%，优于体相掺杂样品46.3%。镁空气电池测试显示其峰值功率密度达120.7 mW cm^?2，11小时后电压保持率98.5%。

结论与展望
该研究通过表面键工程策略，首次阐明Ce空间分布对MnO₂催化剂性能的调控机制：表面锚定的Ce-O结构通过诱导协同缺陷和电子结构优化，同时突破ORR活性和稳定性极限。发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的这项工作，为设计新一代能源转换材料提供了原子级工程范式，其揭示的"表面配位优于单纯原子分散"原则具有普适指导意义。未来研究可拓展至其他稀土-过渡金属体系，推动金属-空气电池商业化进程。