ZnO簇修饰单原子Zn位点的原位碳还原限域蒸发策略及其对氧还原反应的增效机制

本文创新性地采用原位碳还原限域蒸发策略，构建了ZnO簇修饰的单原子Zn位点/多孔空心碳球（ZnSA/ZnO@NC）催化剂。通过密度泛函理论（DFT）揭示了ZnO簇通过调控Zn-N4位点电荷分布降低反应能垒的机制，该催化剂表现出卓越的氧还原反应（ORR）活性（半波电位E1/2=0.90 V）和锌空气电池性能（开路电压OCV=1.61 V），为单原子催化剂（SACs）的结构-性能关联研究提供了新范式。

　　

Highlight

本研究通过独创性的原位碳还原限域蒸发技术，成功制备出ZnO簇修饰的单原子Zn位点催化剂（Zn_SA/ZnO@NC）。就像在纳米尺度"搭建积木"一样，该策略巧妙利用聚多巴胺（PDA）碳源对ZnO模板的原位还原和动态挥发控制，实现了单原子与簇结构的精准协同构建。

Fabrication and characterization of Zn_SA/ZnO@NC catalyst

催化剂的制备过程堪称一场"高温魔术秀"：当温度升至临界点时，未被氮锚定的Zn原子会像晨雾般挥发，而Zn-N₄位点则像被施了定身法般稳定存在。透射电镜捕捉到空心碳球上均匀分布的Zn单原子（像夜空中的孤星）与ZnO簇（如星团）共存的奇妙景象，比表面积高达1183.84 m²g^-1的"蜂窝状"结构为氧气提供了高速公路般的传质通道。

Conclusions

这项研究不仅像"分子手术刀"般精准揭示了ZnO簇对Zn-N₄活性位点的电子调控机制（使ORR能垒降低约0.3 eV），更开创性地将易挥发金属Zn转化为高性能催化剂。组装出的锌空气电池就像搭载了"纳米涡轮增压器"，1.61 V的开路电压刷新了非贵金属催化剂的性能记录，为新能源器件设计提供了全新思路。