摘要：析氧反应的充电过电位是锂氧（Li-O2）电池能量转换效率的关键参数。迄今为止，通过催化剂设计实现低电位超降是该领域的一个巨大挑战，通常超过0.25V。2025年4月9日，香港城市大学洪果、张文军，北京大学郭少军在国际顶级期刊Nature Communicati
析氧反应的充电过电位是锂氧（Li-O2）电池能量转换效率的关键参数。迄今为止，通过催化剂设计实现低电位超降是该领域的一个巨大挑战，通常超过0.25V。2025年4月9日，香港城市大学洪果、张文军，北京大学郭少军在国际顶级期刊Nature Communications上发表了题为《D-orbital Reconstruction Achieves Low Charge Overpotential in Li-oxygen Batteries》的研究论文，Yin Zhou、Kun Yin为论文共同第一作者，洪果、张文军、郭少军为论文共同通讯作者。
洪果，教授，北京大学博士，瑞士苏黎世联邦理工学院博士后，澳门大学助理教授，现任香港城市大学材料科学及工程学系副教授、香港城市大学“超金刚石及先进薄膜研究中心”核心成员、香港城市大学“香港清洁能源研究院”成员。洪果教授主要从事纳米材料和能源存储领域的研究工作，发表学术论文120余篇，其中自2021年起发表包括Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等论文60余篇。
张文军，香港城市大学材料科学及工程学系讲座教授、化学系讲座教授、超金刚石及先进薄膜研究中心中心主任、工学院副院长、香港清洁能源研究院（HKICE）副院长。1994年博士毕业于兰州大学，1997年至1998年在香港城市大学开展博士后工作，1998年至2000年在日本国家无机材料研究所担任科学技术机构研究员，于2000年再次加入城大，担任高级研究员。张文军教授研究重点是薄膜技术、纳米材料和器件。2002年获日本应用物理学会(JSAP)最佳论文奖，2003年获德国洪堡基金会Friedrich Wilhem Bessel研究奖，2015年获城大杰出研究奖，2019年获校长奖。在德国Siegen大学任客座教授,兰州大学任萃英讲席教授,在苏州大学,合肥工业大学,中科院理化所,深圳先进技术研究院(CAS)等校任客座教授。至今已发表同行评议期刊论文400余篇。
郭少军，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家。2005年学士毕业于吉林大学，2011年博士毕业于中科院应化所，2011年至2013年在美国布朗大学开展博士后工作。
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. Synth. 、Nat. Mater.、Nat. Rev. Chem.、Nat. Rev. Mater.、CNS系列、PNAS/JACS/AM/Angew等高影响力期刊发表学术论文200余篇，论文被引7.4万余次，h指数145。
该论文报告了一种轨道重构策略，通过在低负载质量（0.3mg/cm2）和低容量（0.3mAh/cm2）条件下使用PdCo纳米片催化剂，将电荷过电位降低至低0.11V。实验和理论计算表明，低电负性Co与Pd之间的精确d-d轨道耦合（dxz-dxz、dyz-dyz和dz2-dz2）导致PdCo纳米片中的Pd 4d轨道重构，从而使得所有三个活性Pd 4d轨道（dz2、dxz和dyz）相对于Pd纳米片的相应轨道向下移动。此外，PdCo中Pd 4dz2轨道的最高能级低于纯Pd中Pd 4dxz和4dyz轨道的最低能级，显著降低了电荷激活能，实现了高达91%的能量转换效率。该发现为锂氧电池高效电催化剂的合理设计提供了轨道级别的调控手段。
图1：PdCo纳米片的形貌表征
图2：Pd和PdCo纳米片的性能表现
图3：PdCo 纳米片的可逆性分析
图4：Pd和Pd72Co28纳米片的电子态分析
图5：吸附的LiO2与催化剂之间的轨道相互作用，以及吉布斯自由能曲线综上，该论文提出了一种轨道重构策略，通过使用PdCo纳米片催化剂显著降低了锂氧（Li-O2）电池中析氧反应（OER）的充电过电位至0.11V。实验和理论计算揭示了Pd和Co之间的d-d轨道耦合导致Pd 4d轨道重构，从而降低了活性Pd 4d轨道的能量水平，优化了与中间体的相互作用，显著提高了OER的动力学性能。通过精确调控金属催化剂的d轨道电子结构，显著提高了Li-O2电池的性能，为解决该领域长期存在的高充电过电位问题提供了新的思路。这种催化剂可以显著提高电池的能量转换效率和循环寿命，有望推动Li-O2电池在长续航电动汽车和大规模储能系统中的实际应用。此外，该研究为其他金属催化剂的设计提供了参考，有望在更广泛的能源存储和转换领域得到应用。
Zhou, Y., Yin, K., Huang, Y. et al. D-orbital Reconstruction Achieves Low Charge Overpotential in Li-oxygen Batteries. Nat Commun 16, 3353 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58640-6
来源：MS杨站长