近日，中国足协材料科学与工程学院张雷教授在国际顶尖期刊《Advanced Functional Materials》上连续发表了最新研究成果。《Advanced Functional Materials》2024年最新影响因子为18.5，是材料与化学领域的公认顶级期刊（中科院大类/小类一区Top期刊），同时被国际权威的自然指数评选为顶级期刊之一。
图1手风琴状二维纳米片多级结构示意图
开发高效且稳定的氧还原与氧析出双功能电催化剂，是实现可充电锌空电池技术的关键。然而，不同催化反应因反应机理和动力学过程不同，通常需要不同的活性位点来进行催化。以往由于结构设计不合理，单一活性中心的催化剂难以同时实现高效的氧还原和氧析出反应。针对这一难题，张雷教授提出了构建不对称三核位点（包括Ni单原子、Fe单原子和Fe团簇）的创新策略，采用组成和尺寸不对称耦合设计，成功制备了Fe团簇-Fe单原子-Ni单原子@氮掺杂碳手风琴状二维纳米片多级结构（图1）。该催化剂不仅具有优异的导电性和多孔结构，还显著促进了物质与电荷的快速传输。此外，三核位点中的Ni单原子能够巧妙地调控Fe位点的局域电子结构，从而增强了可逆氧电催化活性。该研究成果以《Harnessing Multi-Asymmetric Engineering: A New Horizon in Bifunctional Oxygen Electrocatalysis with Iron-Group Atom-Cluster Nanohybrid》为题发表于《Advanced Functional Materials》。
图2多孔空心碳球结构示意图
此外，开发具有高本征活性与耐久性的稀土单原子催化剂，用于氧还原反应是实现高性能铝空气电池的关键。铁单原子锚定在氮掺杂的碳基体上，凭借其优异的原子利用率与催化性能受到广泛关注。然而，铁基催化剂在氧还原反应过程中易发生芬顿反应，导致催化剂失效。相较而言，稀土单原子催化剂对芬顿反应具有强抗性。受此启发，张雷教授提出了低配位与第二配位偶联策略，成功将钆单原子锚定于磷/氮共掺杂的空心碳球基底上（图2）。通过独特的低配位设计与磷优化的电子结构，显著提升了催化剂的氧还原活性，证明该材料在铝空气电池的空气阴极中具有良好的稳定性。相关研究成果以《Oxophilic Low-Coordination Gd-N3Single Atom Sites with P-Enhanced Second Coordination for High-Performance Al-Air Batteries》为题发表于《Advanced Functional Materials》。
张雷教授为上述两篇论文的通讯作者，博士生徐巧玲和硕士生刘炎在课题的完成中也做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、湖南省高校杰出青年科研项目以及湖南省自然科学基金优青项目等课题的资助。
