魏世忠/郭少军领衔!郑州轻工业大学巩飞龙,最新AM!Pt₁/MnO₂纳米尖端诱导局域电场增强氧传输以实现高能量密度铝空电池堆!

调控原子位点催化剂的配位环境是提升铝-空气电池氧还原反应（ORR）性能的一条前景广阔的策略，然而其实际应用因空气阴极上低效氧气传输而受到极大阻碍。

2026年03月06日，郑州轻工业大学魏世忠、巩飞龙团队在Advanced Materials期刊发表题为“Pt1/MnO2 Nanotip Inducing Local Electric Field Intensifies Oxygen Transport for High-Energy-Density Al-Air Battery Stacks”的研究论文，团队成员Song Min、Zhang Hongge为论文共同第一作者，巩飞龙、北京大学郭少军、魏世忠为论文共同通讯作者。

第一作者：Song Min、Zhang Hongge

通讯作者：巩飞龙、郭少军、魏世忠

通讯单位：郑州轻工业大学、北京大学

论文DOI：10.1002/adma.72745

该研究设计了一种暴露(100)晶面的分支状MnO₂载体来锚定Pt单原子(B-Pt₁/MnO₂)，以解决氧气传输的瓶颈问题。通过有限元模拟、从头算分子动力学和氧气扩散实验验证表明，分支状MnO₂的纳米尖端可以诱导局域电场，显著增强介观尺度氧传输。同时，研究发现，由(100)晶面稳定的Pt-O₄配位结构降低了反应能垒并阻止了Pt的浸出。这种多尺度微环境调控使B-Pt₁/MnO₂实现了3690.6 Wh kg⁻¹的超高能量密度和在50 mA cm⁻²电流密度下超过650小时的卓越稳定性，优于所有先前报道的催化剂。组装的实用化铝-空气电池堆达到了480.2 Wh kg⁻¹的能量密度，接近美国能源部对动力电池的要求。技术经济分析显示，其每千瓦时的系统成本仅为已报道铝-空气电池的五十分之一，凸显了其在可持续能源应用中的可行性。

在环境问题日益严峻及对可持续能源解决方案迫切需求的驱动下，金属空气电池已成为下一代能源转换系统的有力候选者。其中，铝空气电池因其高理论能量密度（8100 Wh kg⁻¹）、成本效益和环境友好性而备受关注。然而，空气阴极侧氧还原反应（ORR）的缓慢动力学严重限制了铝空气电池的实际能量密度。尽管Pt基催化剂表现出高ORR活性，但其高成本和有限的自然丰度阻碍了其大规模商业化应用。金属单原子催化剂（SACs）因其实现了原子利用率最大化和具有明确的活性位点，已成为ORR领域有前景的候选材料。提升SACs本征活性的一个关键挑战源于难以实现关键ORR中间体的平衡吸附/脱附，这通常受到限制性的比例关系的约束。调整金属中心原子的配位环境（包括配位原子的类型和数量，以及杂原子掺杂）对于调控SACs的电子结构至关重要。精细优化的电子结构进而决定了关键含氧中间体的结合强度，从而提升ORR及铝空气电池的性能。尽管如此，目前已报道的基于SACs的铝空气电池的实际性能主要受限于催化剂在空气电极上的氧传输能力有限。

在此，该研究报道了一类分支状MnO₂负载的Pt单原子催化剂，以解决高能量密度铝-空气电池堆中关键的氧传输瓶颈。研究发现，分支状MnO₂载体的纳米尖端可以诱导局域电场增强，从而促进氧气从电解质向活性位点的传输，这通过有限元分析（FEA）、气泡接触角（BCA）测量、O₂程序升温脱附（O₂-TPD）、原位衰减全反射红外光谱（ATR）和理论计算得到了验证。该研究还发现，MnO₂（100）晶面可以稳定最佳Pt配位环境，从而降低B-Pt₁/MnO₂中的ORR能垒并提高其抗Pt浸出的能力。因此，优化的B-Pt₁/MnO₂基铝-空气电池展现出超高能量密度和卓越的长期稳定性，显著优于先前报道的催化剂。此外，组装了一个200 W的铝-空气电池堆，其能量密度为480.2 Wh kg⁻¹，接近美国能源部对动力电池的要求（500.0 Wh kg⁻¹）。生命周期评估和技术经济分析进一步强调了该系统的环境和经济可行性。

图1 | 评估微环境对两种结构模型中ORR影响的计算。(a, b) 两种模型上局域电场的变化。(c) 从A到B的具体强度分布。(d) 在电场强度为0、2.5和8 mV nm⁻¹下的氧传输情况。(e) 电极表面归一化的氧气浓度。(f) Pt₁/MnO₂(110)和Pt₁/MnO₂(100)的表面能。(g) 计算得到的Pt₁/MnO₂(110)和Pt₁/MnO₂(100)中Pt-O键的ICOHP值。(h) 在不同施加电位下，Pt₁/MnO₂(110)和Pt₁/MnO₂(100)中Pt浸出的自由能。

图2 | W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的结构表征。(a) B-Pt₁/MnO₂的透射电子显微镜图像。(b) B-Pt₁/MnO₂的球差校正透射电子显微镜图像。(c) B-Pt₁/MnO₂的高角环形暗场像及相应的能量色散X射线光谱面扫图像。(d) W-Pt₁/MnO₂的透射电子显微镜图像。(e) W-Pt₁/MnO₂的球差校正透射电子显微镜图像。(f) W-Pt₁/MnO₂的高角环形暗场像及相应的能量色散X射线光谱面扫图像。(c)和(f)中的比例尺为50 nm。(g) Pt₁/MnOOH、W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的吸附能，以及W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的形成能。(h) B-Pt₁/MnO₂形成过程的示意图。

图3 | W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的化学与电子结构分析。(a) 归一化Pt L₃-edge X射线吸收近边结构谱。(b) 白线面积与Pt价态之间的线性关系。(c) Pt L₃-edge的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构谱。(d) B-Pt₁/MnO₂中Pt在R空间的扩展X射线吸收精细结构谱拟合曲线。(e) W-Pt₁/MnO₂中Pt在R空间的扩展X射线吸收精细结构谱拟合曲线。(f) 曲线拟合的高分辨率Pt 4f X射线光电子能谱。(g) Pt L₃-edge扩展X射线吸收精细结构谱对应的小波变换。紫色、红色和银色的球体分别代表Mn、O和Pt原子。

图4 | 不同催化剂在碱性电解液中铝-空气电池的电化学性能。(a) 采用W-Pt₁/MnO₂、Pt/C和B-Pt₁/MnO₂的碱性铝-空气电池的放电极化曲线及相应的功率密度曲线。(b) W-Pt₁/MnO₂、Pt/C和B-Pt₁/MnO₂在10 mA cm⁻²放电电流密度下的比容量。(c) 在碱性电解液中，采用集成阴极的铝-空气电池在不同电流密度下的放电曲线。(d) 在6 M KOH电解液中，采用W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的铝-空气电池在50 mA cm⁻²电流密度下的长期稳定性。(e) B-Pt₁/MnO₂与其他已报道催化剂在电流密度、时间和能量密度方面的稳定性比较。(f) 碱性铝-空气电池为手机充电的演示。

图5 | ORR机理研究。(a) W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的O₂程序升温脱附谱。插图：O₂吸附浓度（单位：mmol g⁻¹）。(b) 氧气气泡的数字图像，包括W-Pt₁/MnO₂阴极和B-Pt₁/MnO₂阴极。(c) 不同电位下W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂中*O₂峰位的统计分析。(d) W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂上的反应路径。(e) W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂在1、3和5 ps时的从头算分子动力学AIMD模拟模型。(f) Pt单原子浸出过程中的自由能变化曲线。(g, h) W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂中Pt单原子浸出过程中Pt-O键长的动态演化。

图6 | B-Pt₁/MnO₂的实际应用。(a) 单电池的示意图。(b, c) 单电池的铝-空气电池性能。(d) 不同金属-空气电池的生命周期评估。18种影响包括：水资源消耗(WC)、化石资源稀缺(FRS)、矿产资源稀缺(MRS)、土地利用(LU)、人体非致癌毒性(HNCT)、人体致癌毒性(HCT)、海洋生态毒性(MET)、淡水生态毒性(FET)、陆地生态毒性(TE)、海洋富营养化(ME)、淡水富营养化(FE)、陆地酸化(TA)、臭氧形成-陆地生态系统(OFTE)、细颗粒物形成(FPMF)、臭氧形成-人体健康(OFHH)、电离辐射(IR)、平流层臭氧耗损(SOD)和全球变暖潜能(GWP)。(e) 不同电池系统成本的技术经济分析。(f) 电池堆为电视供电的照片。

总之，该研究表明，局部微环境的合理调控为同时调节Pt₁/MnO₂催化剂介观尺度氧传输和原子尺度Pt配位提供了一种有效策略。具有纳米尖端结构的独特设计的B-Pt₁/MnO₂展现出增强的局域电场，从而显著改善了空气阴极处介观尺度氧气传输。理论计算进一步揭示，B-Pt₁/MnO₂中优化的Pt-O₄配位环境有效降低了ORR能垒，而增强的Pt-O键则显著抑制了Pt位点的浸出。因此，采用B-Pt₁/MnO₂作为阴极催化剂的实验室规模铝-空气电池在6 M KOH中、50 mA cm⁻²条件下，展现出卓越的性能：比容量为2381.0 mAh g⁻¹，能量密度为3690.6 Wh kg⁻¹，以及650小时的卓越稳定性，大幅超越了先前报道的催化剂。更重要的是，该铝-空气电池堆（23 ×17 cm²）实现了200 W的功率输出和480.2 Wh kg⁻¹的能量密度，证实了其实际应用的可行性。技术经济分析结果凸显了其优异的商业可行性，系统成本为291 USD/kW·h，约为所报道的铝-空气电池的五十分之一。生命周期评估结果进一步表明了其在环境方面的优势，特别是在全球变暖潜能、化石资源稀缺和矿产资源稀缺方面。总体而言，该研究建立了一种跨尺度的微环境调控策略，该策略连接了原子尺度的催化剂设计与电极级别的氧气传输优化，为加速金属-空气电池的实际应用提供了一个通用的催化剂设计原则。