近期，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室的先进能源与环境材料团队在Advanced Energy Materials上发表题为 “Highly Stable Co Single Atom Confined in Hierarchical Carbon Molecular Sieve as Efficient Electrocatalysts in Metal–Air Batteries” 的研究工作。该工作首次报道了以MCM-48分子筛为模板复刻的碳分子筛（CMS）的孔道限域效应，并利用该效应将金属单原子固定在其孔道中，作为金属−空气电池的高效电催化剂。研究发现，碳分子筛的微孔孔道和骨架上的含氧官能团可以协同稳定Co单原子，获得高度均匀孤立的金属单原子位点，Co-CMS表现出优异的氧还原催化性能。基于Co-CMS的锌–空气电池具有较低的充放电过电位（0.77 V）和较高的峰值功率密度（219 mW cm⁻²），并且表现出超长的耐久性（在2 mA cm⁻²下稳定循环594小时）。本研究得到的有益结果验证了碳分子筛在多相催化和储能领域的应用前景。

单原子催化剂（SACs）是一种分散在特定固体载体上的孤立金属原子。得益于最大的原子利用效率和独特的催化性能，SACs已成为多相催化研究中一个极具吸引力的研究方向。然而，SACs的高表面能使其在催化反应过程中更容易团聚形成金属纳米颗粒，导致SACs的稳定性和可回收性较差。为了获得分散性良好的单原子催化剂并防止其迁移和团聚，空间约束策略、缺陷工程策略和协调设计策略被认为是有效方法。近年来的研究发现，将金属单原子限制在金属有机骨架（MOFs）或分子筛的微孔中可有利于暴露更多的活性位点并提高其稳定性。然而，分子筛和MOFs的导电性差，会阻碍储能系统运行中的电子传递，限制了其在电化学储能领域中的应用。

图一：碳分子筛限域金属单原子的合成示意图和透射电镜图

为了拓展分子筛及衍生材料在储能领域的应用，本文通过硬模板法复刻介孔分子筛MCM-48的结构获得了三维螺旋结构的分级孔碳分子筛，该碳分子筛同时拥有高度有序的介孔和微孔（图一），微孔用于限域金属单原子作为电催化剂，介孔用于电化学反应过程中反应物的传质，该材料同时具有良好的导电性，完全满足了其在金属-空气电池中应用的条件。本工作通过理论计算揭示了碳分子筛限域效应的基本原理，并且通过XRD说明金属前驱体被有效地吸附到碳分子筛的微孔内（图二），碳分子筛的微孔和含氧官能团能够协同稳定Co单原子，从而获得稳定的Co-CMS材料。将Co-CMS作为电催化剂分别组装到锌–空气电池和锂–空气电池中，均获得了优异的电化学性能和稳定性。其中，锌–空气电池展现出高达1.46 V的开路电压，733.94mAh g⁻¹的比容量，最大倍率可达到200 mA cm⁻²，峰值功率密度可达219mW cm⁻²，在2 mA cm⁻²的电流密度下能够稳定循环594h。锂–空气电池同样展示出大于300 h的稳定循环。Co-CMS电催化剂在金属空气电池中的成功尝试，初步验证了其在多相催化和储能领域的应用前景。

图二：碳分子筛孔道的限域机理

相关的研究成果近期发表在Adv. Energy Mater.杂志上，第一作者为吉林大学在读硕士生梁爽，通讯作者为吉林大学徐吉静教授。

全文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202103097