近日，国际催化领域的知名期刊Applied Catalysis B: Environmental (IF=11.698)在线发表了公司王海燕课题组关于利用仿生思路设计高效Cu-Fe-N-C催化剂的最新成果：“Boosting Oxygen Reduction Activity of Fe-N-C by Partial copper substitution to iron in Al-air batteries”(2019，242：209-217)。412永利皇宫登陆为第一单位，2016级博士生李静莎与13级硕士陈家杰为共同第一作者，王海燕老师为通讯作者。

铝空气电池具有能量密度高、资源丰富、结构简单、成本较低、环保等优点，有望在移动电站和电动汽车等领域得到广泛应用，同时金属铝可以替代石油作为一种战略能源，能保障国家的能源安全，同时极大缓解我国目前的铝产能过剩的问题。氧还原过程是开发高性能铝空气电池的关键技术之一，目前昂贵的Pt/C商业化催化剂限制了该电池的进一步应用。开发低成本、高活性、长寿命的非铂催化剂仍然面临重要挑战。

过渡金属-氮共掺杂碳材料（M-N-C）因具有成本低、制备方法简单、较高的氧还原催化活性与稳定性等优点备受关注。细胞色素C氧化酶（CcOs）在细胞呼吸中显示出优异的氧还原催化活性，是一个直接的4e^-过程。CcOs的一个双金属活性位点是由铁卟啉亚铁血红素a₃和一个三组氨酸配位的铜（Fea₃/Cu_B）组成。在CcO体系中O₂还原机理中的一开始是O₂连接到Fe^II中心，然后就是被吸附的物系从酶环境中接受一个质子和一个电子，比如Tyr244，接下来就是过氧化的O-O键断裂然后OH基团转移到Cu^I位点，最后氧化的Fe^IV=O/Cu^II经过多电子和质子转移被还原。受细胞色素C氧化酶中Cu和Fe元素的协同作用启发，课题组提出了一种铜铁双金属共掺杂碳材料的思路，显著提升了Fe-N-C催化剂的氧还原性能。研究发现，铜部分替代铁后，材料形貌发生明显变化，电催化活性显著增强，半波电位高出商业化20%铂碳（江森控制）44mV。此外，无机铜源的含量和类型对催化剂的电化学活性也产生了很大的影响。组装成铝空气电池后，相比Fe-N-C，Cu-Fe-N-C显示了更高的功率密度和更长的使用寿命，突出了Cu和Fe双金属元素掺杂的协同作用。DFT理论计算进一步验证了这一结论，铜的引入显著增强了O₂吸附，加速了ORR过程。本研究可以为基于双金属掺杂策略的新型ORR电催化剂开发提供新思路。

该工作得到了中国国家自然科学基金，412永利皇宫登陆升华育英计划和412永利皇宫登陆第四批创新驱动计划等基金的大力支持。