電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)，包括利用水電解產(chǎn)氫、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)，以及二氧化碳電化學(xué)還原(CO₂RR)成有價值的工業(yè)產(chǎn)品等，因其具有環(huán)境友好性和可持續(xù)性而受到廣泛關(guān)注。在這些技術(shù)和工藝中，常用催化劑多為貴金屬催化劑，但貴金屬的稀缺性和高昂的價格限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。

因此，開發(fā)高效、廉價、無貴金屬的電化學(xué)催化劑對于推動這些技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展至關(guān)重要。

基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳乾旺課題組系統(tǒng)地研究了一種用于電化學(xué)還原反應(yīng)(包括ORR和CO₂RR)的N?和O?配位的Li基碳骨架電催化劑。

元素周期表中的s區(qū)金屬，特別是價電子較少的ⅠA族金屬，由于其電子結(jié)構(gòu)調(diào)控的困難，很少被報道為用于還原反應(yīng)的高活性電催化劑。理論計算表明，ⅠA族元素鋰(Li)在N，O摻雜的石墨烯中是二氧化碳還原反應(yīng)(CO₂RR)和氧還原反應(yīng)(ORR)的有效電催化活性中心，其活性來自于原本空的Li原子2p軌道和配位原子軌道之間的s?p雜化軌道，并且這個空的2p軌道可以作為Li和N，O摻雜的石墨烯之間額外p?π共軛的位點(diǎn)。

這些效應(yīng)可以改變石墨烯結(jié)構(gòu)中具有適當(dāng)N和O配位的Li的電子結(jié)構(gòu)，使其適用于ORR(之字型Li-pyridinic-N₁-C₁)和CO₂RR(之字型Li-O₂)。

因此，Li?N，O/C催化劑在酸性條件下ORR(E_1/2=0.77 V)和CO₂RR(FE_CO在?0.55 V時達(dá)到98.8%，J_CO在?0.8 V時達(dá)到6.93 mA cm^?2)表現(xiàn)出顯著的性能。此外，該催化劑還可作為實(shí)用質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極反應(yīng)的潛在電催化劑，利用Li?N，O/C催化劑組裝的PEMFC峰值功率密度可達(dá)430 mW cm^?2。

總之，該項工作采用密度泛函理論(DFT)計算與實(shí)驗相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種新型高活性的基于s區(qū)元素的鋰基電催化劑，為未來設(shè)計其他s區(qū)元素，如Na和K等用于高效電還原反應(yīng)的催化劑提供了范例。

Main-Group s-Block Element Lithium Atoms within Carbon Frameworks as High-Active Sites for Electrocatalytic Reduction Reactions. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300475