锂空气电池具有3500 Wh/kg的超高理论能量密度，远超过其他电池体系，极具应用潜力。但由于电池充放电反应涉及固、液、气三相界面，以及放电产物Li2O2绝缘且难溶的特性，导致电池反应动力学缓慢，限制氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的进行，造成锂空气电池充放电过电位高、循环稳定性差等问题。

基于此，伟德betvlctor体育官网孙根班教授与国家纳米科学中心朱嘉研究员合作，通过原位电沉积法制备出过渡金属-载体相互作用的亚纳米Co结构电极，这种电极的制备可以使活性位点均匀分布在电极表/界面处，为构建气-固-液三相反应界面奠定了良好的结构基础。通过金属-载体相互作用的合理设计，可控制合成出亚纳米尺寸的KB-Co005复合结构，并实现了锂氧气电池性能的有效提升。实验和理论结果表明，碳平面的基底可以与过渡金属原子强耦合，通过金属载体相互作用优化碳骨架的电子结构、并激活碳骨架的活性中心。在锂氧气电池充放电反应过程中，具有亚纳米结构的KB-Co005电极展现出良好的电催化活性，与纯碳基底、原子级KB-Co001结构和纳米粒子级KB-Co050结构相比尤为突出。这种特殊的金属载体结构可以有效地调节放电产物的形貌，促进片状产物结构的生长。在亚纳米级KB-Co005电极上生成的纳米片状Li2O2具有最佳的电化学活性，表现出较低的过电位、优异的倍率性能和较长的循环寿命。这一结果将为固相催化剂-放电产物间的结构设计提供新的见解，并为提高锂氧气电池电催化活性提供不同的思路。

图1. C, C-Co3和C-Co18结构的态密度及差分电荷计算

图2. 原子级KB-Co001和亚纳米级KB-Co005电催化剂的形貌结构分析

图3. 原子级KB-Co001、亚纳米级KB-Co005和纳米粒子级KB-Co050电催化剂的锂氧气电池性能

该项工作近期发表在国际知名期刊Nano Energy上，研究得到了国家自然科学基金等项目题资助。伟德betvlctor体育官网为第一完成单位，孙根班教授和朱嘉研究员为共同通讯作者，郑幸子和袁萌伟为论文共同第一作者。论文相关信息如下：Xingzi Zheng, Mengwei Yuan, Ruiyun Xin, Xueqin Wang, Jingshen Xu, Genban Sun, Jia Zhu, Rational Design of Co Sub-Nano Clusters by Electronic Metal-Support Interaction for Inducing Li2O2 Growth, Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110138.