研究背景
开发高效非贵金属氧还原反应（ORR）催化剂对金属-空气电池商业化至关重要。研究通过基底诱导生长策略，在氮/氧共掺杂石墨烯上选择性合成具有特定（200）或（111）晶面取向的铜纳米片。Cu(200)@N/O-C因优化ORR中间体吸附能、降低决速步能垒，展现出优于Cu(111)@N/O-C和商用Pt/C的ORR活性。其组装的锌-空气电池功率密度达222.5 mW·cm⁻²，稳定运行超1000小时。该工作证实面向工程调控地壳丰度铜材料是下一代储能器件的可行路径。
图文解析
图 5. 分子力学计算。（a）在 Cu(200)@N/O-C 表面的 ORR 中间体的结构模型。（b）*OH 在 Cu(111)@N/O-C 和 Cu(200)@N/O-C 表面的电荷密度差异及巴德电荷。（c）在 1.23 和 0 V（相对于 RHE）条件下，Cu(111)@N/O-C 和 Cu(200)@N/O-C 表面 4e- ORR 路径的自由能图（RDS，决定反应速率的步骤）。（RDS，决定反应速率的步骤）。
基于密度泛函理论（DFT）计算，系统探究了Cu(200)@N/O-C与Cu(111)@N/O-C催化剂的氧还原反应（ORR）晶面依赖机制。计算结果表明，N/O共掺杂石墨烯载体与Cu(200)晶面间的界面结合能（-2.51 eV）显著高于Cu(111)（-2.22 eV），且Cu(200)表面向载体转移的Bader电荷更多（Δq = -0.16|e| vs. -0.12|e|），导致其d带中心下移更显著（-1.63 eV vs. -1.44 eV），从而优化了ORR关键中间体的吸附强度。自由能分析显示，两种晶面均遵循4e⁻路径，决速步均为*OH还原为H₂O；在U=1.23 V vs. RHE条件下，Cu(200)表面的决速步能垒（0.52 eV）低于Cu(111)表面（0.75 eV），且*OH在Cu(200)上的Bader电荷转移更少（0.72e⁻ vs. 0.79e⁻），表明其*OH吸附更弱、脱附更易，从而提升了ORR反应动力学。上述理论计算揭示了Cu(200)晶面在N/O-C载体调控下，通过电子结构优化和中间体吸附能调节实现优异ORR活性的内在机制。
参考文献：
Lu, S., Hu, Y., Li, Z. et al. Elucidating the Facet-Dependent Oxygen Reduction Reaction Performance of Cu Nanosheet over N-O co-Doped Graphene. Nat Commun (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70854-w
第一作者：Shaojie Lu
通讯作者：Lei Xiong，岳秦
通讯单位：电子科技大学
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