吉林大学/南方科技大学,JACS!

2025-09-24 3678

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吉林大学李全团队与南方科技大学周院院团队合作,通过恒电位从头算分子动力学模拟,揭示了碱金属阳离子(AMCs,如Li⁺、Na⁺、K⁺)在Zn–N–C单原子催化剂上诱导氧还原反应(ORR)发生伪外球机制(pseudo-outer-sphere mechanism),显著提升H₂O₂选择性与产率。该机制中,AMCs与O₂形成复合物,表面吸附水分子作为质子桥介导界面质子耦合电子转移(PCET),使反应在Helmholtz外层发生,避免活性位点阻塞和H₂O₂过度还原。


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本文要点

要点1. 机制创新: AMCs与O₂形成稳定复合物(如Li⁺–OO⁻),表面水分子介导PCET,实现无需O₂直接吸附的伪外球反应路径,突破传统内球机制限制。
要点2. 选择性提升: AMCs弱结合H₂O₂并排斥质子,抑制O–O键断裂,使H₂O₂在Helmholtz外层稳定生成并快速脱附,法拉第效率从30%提升至85%。
要点3. 动力学优势:该路径在工业相关电位(-0.2 V vs SHE)下无显著能垒,克服水分子阻塞活性位点的问题,提升反应活性。
要点4. 普适性与限制:机制适用于碱金属阳离子,但二价阳离子(如Mg²⁺)因生成不溶氢氧化物而不适用;催化剂表面零电荷电位(PZC)影响AMCs界面分布与反应效率。

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参考文献:

Yumiao Tian, Pengfei Hou, Yuanyuan Zhou, Quan Li. Alkali Metal Cations Induce Pseudo-outer-sphere Oxygen Reduction Reaction Mechanism in Electrolyte-Catalyst Synergy, J. Am. Chem. Soc. (2025)

DOI: 10.1021/jacs.5c12947

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c12947


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