郑州大学周震教授团队：石墨烯纳米片锚定Pt-N3O强配位结构加速电催化氧还原四电子转移过程

近日，《催化学报》在线发表了郑州大学周震教授团队在电催化能源转化领域的最新研究成果文章。该工作报道了一种无机盐介导二次煅烧策略，在N和O掺杂的石墨烯纳米片上成功锚定的铂单原子催化剂（Pt-N/O-GNs），该催化剂中的Pt-N₃O活性中心对氧还原反应中的四电子转移途径具有优异的电催化性能，并进一步在组装的锌-空气电池中展现出实际应用潜力。论文共同第一作者为：王心琪，张雪元，焦梦改，论文共同通讯作者为：张利利，马炜，周震。

背景介绍

燃料电池和金属-空气电池作为清洁高效的能源转化与储能技术，在长续航动力电池和高能量密度储能领域展现出卓越的应用潜力，近年来发展迅猛。氧还原反应（ORR）作为能量转换的核心环节，其速率影响了电催化过程的整体反应效率。然而，ORR过程涉及多步电子耦合质子转移以及多种反应中间体的生成与转化，其反应动力学缓慢。虽然Pt基催化剂在ORR过程中表现出优良的性能和良好的实用性，但由于其储量有限、价格高，严重制约了大规模推广应用。因此，开发高效、低Pt含量的ORR电催化剂，已成为当前研究的迫切需求。近年来, M-N-C单原子催化剂因其极高的原子利用率、可调控的电子结构以及较高的能量转换效率而备受关注。金属有机框架衍生的碳基材料，凭借其高比表面积以及均匀的金属分散性，为制备M-N-C单原子催化剂提供了理想的载体。

主要创新点

本文提出了一种无机盐介导的二次煅烧策略，通过KCl和LiCl辅助剥离Zn-ZIF，获得了超薄的N/O掺杂石墨烯纳米片(N/O-GNs)，并通过理论计算证明了超薄石墨烯为高暴露的Pt单原子提供了稳定的锚定位点。随后，成功构筑了N、O共掺杂石墨烯纳米片负载的Pt单原子催化剂(Pt-N/O-GNs)，形成的不对称Pt-N₃O活性结构，实现了对金属活性位的表面配位环境调控，进而有效加速氧还原四电子转移过程，催化剂稳定性和抗毒化能力得到同步提升。此外,以Pt-N/O-GNs作为阴极催化剂组装应用于锌-空气电池,展现出优异的功率密度和循环稳定性。

主要研究结果

图1. 催化剂的合成及形貌表征。（a）Pt-N/O-GNs的合成示意图。（b-d）Pt-N/O-GNs的HR-TEM、AC-STEM、HAADF-STEM与EDS元素分布图。

要点：通过无机盐介导的二次煅烧策略合成了Pt-N/O-GNs催化剂。形貌结构表征结果显示Pt单原子在N/O-GNs中呈现均匀分布状态，孤立的Pt原子具有高度分散性。

全文小结

1. 本研究利用无机盐剥离工艺成功实现了高暴露Pt单原子在超薄石墨烯载体上的稳定锚定，显著提升了Pt基催化剂的原子利用率。
2. 实验与理论研究表明，Pt-N/O-GNs催化剂的Pt-N₃O活性中心高效电催化氧气还原以四电子转移机制生成水，兼顾高活性、高选择性和抗毒化性能。
3. 本研究为基于MOF衍生二维碳材料负载单原子催化剂提供了理论基础。

作者介绍

张利利，郑州大学化工学院副教授。2012年获河南理工大学材料化学学士学位，2019年获华南理工大学化学工程博士学位，同年起任职于郑州大学化工学院。研究方向聚焦电化学反应过程中电极表/界面的活性位点动态演化、催化机制及反应动力学。

课题组链接：https://www7.zzu.edu.cn/irc4se2/index.htm

马炜，郑州大学化工学院副教授，硕士生导师。博士毕业于中南大学和日本国立物质材料研究所，于2016年1月入职郑州大学化工学院。主要研究领域为二维材料的可控制备与电催化。

课题组链接：https://www7.zzu.edu.cn/irc4se2/index.htm

周震，郑州大学化工学院院长、长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合设计可再生能源存储与转化材料与系统。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.和Adv. Mater.等期刊上发表论文350余篇，被引48000余次，h-index为123。2014-2023年连续11年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2024年连续七年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《过程工程学报》等期刊编委，中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。

课题组链接：https://www7.zzu.edu.cn/irc4se2/index.htm

文献信息：

The strong Pt-N3O coordination in graphene nanosheets accelerates the 4e− electrocatalytic oxygen reduction process

Xinqi Wang, Xueyuan Zhang, Menggai Jiao, Runlin Ma, Fang Xie, Hao Wan, Xiangjian Shen, Li-Li Zhang*, Wei Ma*, Zhen Zhou*, Chin. J. Catal., 2025, 77, 227-235.

DOI:10.1016/S1872-2067(25)64768-1