Pt₁/MnO₂纳米尖端诱导局域电场增强氧气传输用于高能量密度铝空气电池堆

宋敏，张红阁，魏泽新，弓丽华，陈小虎，肖建军，张永辉，魏世忠*，郭少军*，巩飞龙*

郑州轻工业大学材料与化学工程学院河南省表界面科学重点实验室

北京大学材料科学与工程学院

麦考瑞大学科学与工程系工程学院纳米技术实验室

郑州佛光发电设备股份有限公司

【文章链接】

Min Song, Hongge Zhang, Zexin Wei, Lihua Gong, Xiaohu Chen, Jianjun Xiao, Yonghui Zhang, Shizhong Wei*, Shaojun Guo* and Feilong Gong*. Pt₁/MnO₂ Nanotip Inducing Local Electric Field Intensifies Oxygen Transport for High-Energy-Density Al-air Battery StacksAdv. Mater. 2026, e72745. 

https://doi.org/10.1002/adma.72745

【背景介绍】

开发高能量密度储能技术对推动能源可持续发展意义重大。铝空气电池因其理论能量密度高、成本低廉，被广泛看好作为下一代储能技术的重要方向。然而，其实际应用受限于空气阴极氧还原反应动力学缓慢及氧气传质效率低下两大关键瓶颈。金属单原子催化剂具有丰富的活性位点、超高的原子利用率等优点有望替代传统的铂基贵金属催化剂。单原子催化剂虽可提升本征活性，但是介观尺度的传质问题往往被忽略，尤其在高压、高负载条件下，氧气能否高效抵达活性位点，已成为制约性能提升的核心难题。该研究聚焦单原子催化剂在金属空气电池应用中氧气传输效率低的关键瓶颈问题，通过调控MnO₂载体晶面，成功增强局域电场并优化活性位点配位微环境，显著降低空气阴极氧气传输阻力，提高Pt单原子浸出能垒，从而大幅提升氧还原反应活性和稳定性，实现铝-空气电池的高效稳定运行。

【文章亮点】

1. 通过原位自生策略，成功构筑了MnOOH纳米线负载MnO₂ (100)纳米颗粒的树枝状结构。借助表面能最低驱动机制，Pt原子被精准锚定在暴露MnO₂颗粒上，表现出结构稳定性和原子级分散特性。

2. 凭借独特的树枝状微结构，该材料引发纳米尖端电场增强效应，显著促进氧气传输，从而有效提升空气阴极的局部氧气浓度。

3. 晶面效应精准调控了B-Pt₁/MnO₂中的铂配位结构，有效降低反应能垒并抑制活性位点浸出，从而协同提升了催化材料的活性与稳定性。

4. 以B-Pt₁/MnO₂为阴极催化剂组装的铝空气电池堆实现创纪录能量密度，高达480.2 Wh·kg^-1，接近美国能源部设定的动力电池应用目标。技术经济分析显示，其系统成本仅为此前报道铝空气电池的五十分之一，充分彰显了其在可持续能源应用中的巨大潜力。

【内容简介】

高效的单原子催化剂为铝空气电池的氧还原反应带来了可能，但空气阴极的氧气供应不足，导致其高活性无法在实际中充分释放。基于此，郑州轻工业大学魏世忠教授、巩飞龙副教授联合北京大学郭少军教授团队合作在Advanced Materials期刊（中科院一区TOP，影响因子26.8）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，该研究聚焦单原子催化剂在金属空气电池应用中氧气传输效率低的关键瓶颈问题，通过调控MnO₂载体晶面，成功增强局域电场并优化活性位点配位微环境，显著降低空气阴极氧气传输阻力，提高Pt单原子浸出能垒，从而大幅提升氧还原反应活性和稳定性，实现铝-空气电池的高效稳定运行。实验数据显示，采用B-Pt₁/MnO₂催化剂的电池能量密度高达3690.6 Wh kg^-1，在50 mA cm^-2电流密度下表现出优异稳定性，性能优于目前已报道的同类催化剂。基于该催化剂的实验室电池可稳定为手机充电，组装的铝空气电堆能量密度达到480.2 Wh kg^-1，接近美国能源部对动力电池的技术要求，并可稳定驱动180瓦电视工作。技术经济分析表明，该系统的成本仅为已报道铝空气电池的1/50，展现出在可持续能源领域的广阔应用前景。

【图文解析】

图1. 对这两种结构中微环境对ORR的影响的计算。a-b）两种模型中局部电场的变化。c）从A到B的特定强度分布。d）在电场强度为0、2.5和8 mV nm^-1时的氧气传输情况。e）电极表面的氧浓度归一化值。f）Pt₁/MnO₂（110）和Pt₁/MnO₂（100）的表面能量。g）Pt₁/MnO₂（110）和Pt₁/MnO₂（100）中Pt-O键的计算ICOHP。h）在各种施加电位下Pt_1/MnO₂（110）和Pt₁/MnO₂（100）的自由能。

通过多尺度模拟揭示了树枝状结构的增效机制：有限元分析显示，纳米尖端能产生数倍于纳米线结构的局域强电场，进而通过分子动力学模拟证实，该效应有效增强了氧气在电极表面的吸附。进一步的DFT计算则从原子层面确认，(100)晶面赋予了铂单原子更低的表面能、更强的Pt-O键以及更高的Pt浸出自由能，预示着更优的热力学稳定性。

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的高角环形暗场成像以及相应的能谱成像图。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和B-Pt₁/MnO₂的高角环形暗场成像以及相应的能谱成像图。图c）和f）中的标尺为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。

TEM、AC-TEM及元素分布图不仅证明了B-Pt₁/MnO₂的树枝状宏观形貌，更在原子尺度上证实了铂单原子在MnO₂(100)晶面的选择性落位。进一步的DFT计算为这种独特的锚定行为提供了理论依据，阐明了(100)晶面具有优先捕获铂单原子的热力学驱动力。

图3. W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的化学组成和电子结构分析。a）归一化的Pt L₃-edge的XANES图谱。b）白线区域与Pt价态之间的线性关系。c）Pt L₃-edge的傅里叶变换EXAFS谱图。d）B-Pt₁/MnO₂和e）W-Pt₁/MnO₂中Pt在R空间内的EXAFS谱的拟合曲线。紫色、红色和银色的球分别代表锰、氧和铂原子。f）曲线拟合的高分辨率Pt 4f的XPS谱图。g）Pt L₃-edge的EXAFS的小波变换。

通过XAS与XPS分析发现，B-Pt₁/MnO₂中铂的价态更高（约+1.73），证明其与载体之间存在更强的电子相互作用。进一步的局域结构解析从配位层面证实了晶面工程的影响：B-Pt₁/MnO₂中的铂主要形成4配位的Pt-O结构，而对比样W-Pt₁/MnO₂中则为~3.4配位，精准揭示了晶面效应对单原子位点配位环境的调控机制.

图4. 碱性电解质种不同催化剂组装的铝空气电池的电化学性能。a）碱性铝-空气电池中使用W-Pt₁/MnO₂、Pt/C和B-Pt₁/MnO₂催化剂的放电极化曲线及相应的功率密度曲线。b）在放电电流密度为10 mA cm^-2时，W-Pt₁/MnO₂、Pt/C和B-Pt₁/MnO₂催化剂的比容量。c）在碱性电解液中集成阴极的铝空气电池在不同电流密度下的放电曲线。d）6 M的KOH电解液中，电流密度为50 mA cm^-2时，W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂催化剂的铝空气电池的长期稳定性。e）B-Pt₁/MnO₂与其他已报道的催化剂在电流密度和时间以及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。

B-Pt₁/MnO₂在三电极体系中表现出优异的ORR活性和稳定性。基于其组装的铝空气电池实现了120.3 mW cm⁻²的峰值功率密度和2381.0 mAh g⁻¹的比容量，对应能量密度高达3690.6 Wh kg⁻¹。在50 mA cm⁻²大电流下稳定放电超过650 h，性能远超对比样品及文献报道值。

图5. ORR机理研究。a）W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂的O₂-TPD。插图：O₂吸附浓度（单位：mmol g^-1）。b）包含W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂阴极的氧气气泡的数字图像及相应的接触角。c）不同电位下W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂中*O₂峰位置的统计分析。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下的AIMD模拟模型。f）Pt SAs浸出过程中的自由能曲线。g-h）在W-Pt₁/MnO₂和B-Pt₁/MnO₂中Pt SAs浸出过程中的Pt-O键长的动态演变。

O₂-TPD和气泡接触角实验证明B-Pt₁/MnO₂具有更强的氧吸附能力和优异的亲气性，利于反应物传输。原位红外光谱结合DFT计算表明，其ORR决速步骤从W-Pt₁/MnO₂的OH*脱附转变为O₂质子化，且反应能垒大幅降低。AIMD模拟直观展示了B-Pt₁/MnO₂中Pt-O键在运行条件下的卓越稳定性。

图6. B-Pt₁/MnO₂的实际应用。a）单个电池的示意图。b-c）单个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，包括水消耗（WC）、化石资源稀缺（FRS）、矿产资源稀缺（MRS）、土地利用（LU）、人类非致癌毒性（HNCT）、人类致癌毒性（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）、地表生态系统臭氧形成（OFTE）、细颗粒物形成（FPMF）、人类健康臭氧形成（OFHH）、电离辐射（IR）、平流层臭氧损耗（SOD）和全球变暖潜势（GWP）这18项指标。e）不同电池系统成本的TEA。f）由电池堆供电的电视的照片。

基于B-Pt₁/MnO₂为阴极组装的单电池（10×10 cm²）性能稳定，能量密度达3146 Wh kg^-1。进一步集成的200 W电池堆（23×17 cm²）可稳定驱动电视机，其系统级能量密度为480.2 Wh kg^-1。生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）显示，该技术在全生命周期内环境负面影响小，且每千瓦时电力成本仅约291美元，优于其它电池系统，具备显著的经济与环境双重优势。

【全文小结】

1. 材料精准合成：通过原位自生策略，成功构筑了一种新型树枝状异质结构，揭示了MnO₂（100）表面能驱动的Pt原子精准锚定机理。

2. 多尺度增强机制：树枝状纳米结构引发的尖端电场效应加速了氧气介观传输，晶面工程则调控了Pt单原子配位环境，二者协同提升了氧还原的反应动力学与稳定性。

3. 性能突破：实验室电池能量密度达3690.6 Wh kg⁻¹，稳定运行>650 h；铝空气电堆能量密度达480.2 Wh kg⁻¹，接近美国能源部对动力电池要求。

4. 应用前景广阔：极低的系统成本与良好的环境效益，为铝空气电池的规模化应用奠定了坚实的技术与材料基础。

【作者简介】

魏世忠，西安交通大学博士研究生毕业，二级教授，博士生导师。郑州轻工业大学校长，金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心主任，第十三届、十四届全国政协委员，民盟河南省委员会副主委。全国杰出专业技术人才、何梁何利基金科学与技术创新奖获得者、第三届全国创新争先奖获得者、中国专利优秀奖获得者、享受国务院政府特殊津贴专家、“百千万人才工程”国家级人选、国家有突出贡献中青年专家，“长江学者和创新团队发展计划”创新团队带头人，河南省科学技术杰出贡献奖获得者，中原学者科学家工作室首席科学家等。长期从事金属材料冶金及成型过程、纳米功能材料的设计、开发及应用研究。以第一完成人获国家科技进步二等奖2项、省部级一等奖6项。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、中国工程院院地合作重大项目、国家战略性新兴产业发展专项、军委基础加强计划重点项目、科技部企业创新平台等国家省部级项目等共计30余项，发表论文360余篇，授权发明专利95件。现任中国材料与试验团体标准委员会综合标准领域委员会金属材料磨损控制与成型技术委员会主任委员，中国机械工程学会摩擦、耐磨、减摩材料和技术专业委员会副主任委员，钢铁耐磨材料产业技术创新联盟理事会副理事长。

郭少军，北京大学博雅特聘教授；中国科学院院士有效候选人；中国化学会会士、英国皇家化学会会士；国家杰出青年基金获得者、北京卓越青年科学家；国家重点研发计划首席科学家、总体组专家；全球高被引科学家（化学、材料）、爱思唯尔中国高被引学者（化学、材料）、ScholarGPS 全球前0.05%顶尖科学家终身榜单。长期从事电能源化学、材料与关键技术研究。以通讯作者身份在Nature、Science、Nat. Mater.、CNS系列 (48) 、PNAS/JACS/AM/Angew (100) 等高影响力期刊发表学术论文300余篇，论文被引9万余次，H指数160，2014-2025连续12年入选“全球高被引科学家”榜单 (化学、材料) 。主持获教育部自然科学一等奖、首届科学探索奖、中国青年科技奖、Small青年科学家创新奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖、茅以升北京青年科技奖等奖励与荣誉。入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家、全球学者库全球顶尖前10万科学家 (全球前1300) 、Research.com全球顶尖科学家。主持国家重点研发计划项目、国际合作重点项目，基金委杰青、重点，北京市卓青、重点研究专题、首届杰青等项目。兼任国家重点研发计划总体组专家、指南专家，Energy Lab主编、Catal. Sci. Technol.和Mater. Today Energy副主编。

巩飞龙，博士，副教授，博士生导师。入选河南省优青，河南省科技创新人才，河南省青年骨干教师。长期致力于纳米材料的设计合成及在能源转换与储存以及气体传感器相关领域的基础应用研究，迄今以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文40余篇。主持国家自然科学基金青年基金、河南省自然科学基金青年科学基金项目B类、河南省高校科技创新人才培养计划项目等国家级及省部级项目7项，主持成果转化2项。以第一发明人授权中国发明专利7件。获中国颗粒学会自然科学一等奖1项、河南省科学技术进步奖一等奖1项、三等奖1项。任Tungsten期刊青年编委，Research on Chemical Intermediates期刊青年编委，《有色金属科学与工程》青年编委。