摘要：2025年1月22日，四川大学刘习奎教授/程冲教授在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Densely populated macrocyclic dicobalt sites in ladder polymers for low-

具有协同双核活性位点的双原子催化剂（DACs）有可能打破传统单原子催化剂在氧还原反应（ORR）中所遵循的线性比例关系。

然而，设计具有合理局部微环境、高活性和选择性的双原子催化剂仍然是一个巨大的挑战。

2025年1月22日，四川大学刘习奎教授/程冲教授在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Densely populated macrocyclic dicobalt sites in ladder polymers for low-overpotential oxygen reduction catalysis》的研究论文，张珍为论文第一作者，刘习奎教授、程冲教授为论文共同通讯作者。

刘习奎，四川大学教授，2003年毕业于四川大学，获工学博士学位。2004-2006年在复旦大学从事博士后研究，2006 -2008年在德国莱布尼茨高分子研究所从事博士后研究。2008年作为四川大学引进人才、特批教授回国工作。

主要研究方向：聚酰亚胺与高性能聚合物材料，大分子自组装与超分子聚合物，功能性微孔与介孔聚合物材料等。

程冲，四川大学教授，国家级青年人才，四川省特聘专家，高分子材料工程国家重点实验室固定人员，洪堡学者。硕博师从四川大学高分子学院赵长生教授，先后在美国密歇根大学安娜堡分校Prof. Nicholas A. Kotov课题组公派博士联合培养及柏林自由大学Prof. Rainer Haag课题组从事博士后研究工作。

主要研究方向：高分子基先进催化材料的精确构筑及在纳米医药、组织工程、生物催化等领域的应用开发，特别是基于新型配位聚合物、共轭有机框架等的人造酶催化特性、微纳米结构、多功能设计及临床重大疾病治疗。

在本文中，研究人员设计了一种bisalphen梯形聚合物，在Ketjenblack底物上具有明确致密的双核钴位点。

完全共轭的梯形结构与碳基底之间的强电子耦合效应增强了钴（Co）中心与氧中间体之间的电子转移，诱导了Co(II)的3d电子从低自旋到高自旋跃迁。

原位技术与理论计算揭示了Co2N4O2活性位点和反应中间体的动态演变。

在碱性条件下，该催化剂展现出优异的氧还原反应活性，其起始电位为1.10 V，半波电位为1.00 V，在经过30,000次循环后几乎没有衰减，将ORR电催化的过电位边界推至较低水平。

该工作为设计能量转换技术中具有明确配位和电子结构的高效双原子催化剂提供了一个平台。

图1：CoCo-BiSalphen@KB的示意图

图2：CoCo-BiSalphen@KB的微观表征

图3：局部结构表征和电子自旋态分析

图4：电化学表征

图5：可能的ORR机制

图6：锌-空气电池性能

综上，该研究突破了传统单原子催化剂的线性比例关系限制，通过设计双核活性位点实现了更低的过电位和更高的ORR活性。同时，通过精确调控催化剂的配位结构和电子性质，为设计高效双原子催化剂提供了新的理论和实验依据。

该催化剂在燃料电池和金属空气电池等清洁能源技术中展现出巨大的应用潜力，尤其是在提高能量转换效率和降低贵金属催化剂依赖方面具有重要意义。此外，其优异的稳定性和活性使其在实际应用中具有广阔的发展前景，例如在可穿戴电子设备中用于柔性锌空气电池的开发。

Zhang, Z., Xing, Z., Luo, X. et al. Densely populated macrocyclic dicobalt sites in ladder polymers for low-overpotential oxygen reduction catalysis. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56066-8.

来源：华算科技