锌-空气电池具有高功率密度、高效率、环保和本质安全等优点，在储能领域具有潜在的应用前景。然而，锌-空气电池正极的氧还原反应(ORR)由于涉及多电子转移过程和O-O键难断裂而动力学缓慢，这极大地限制了锌-空气电池的广泛应用。

因此，寻求高活性和长寿命的ORR电催化剂已成为推动锌-空气电池实际应用关键。迄今为止，Pt及其衍生物一直被视为最先进的催化剂，但其价格过高，耐久性不足，阻碍了它们的广泛应用。因此，目前迫切需要设计和开发高活性的非贵金属催化剂来作为Pt的替代品。

近日，吉林大学蒋青、杨春成和多伦多大学Chandra Veer Singh等采用高温热解法直接合成了具有碳空位的SbSA-N-C催化剂，其表现出优异的ORR性能。

实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，通过高温热解，Sb单原子位点的形成经历了Sb₂O₃颗粒→Sb颗粒→单个Sb原子过程，并且该过程伴随着N原子附近碳空位的产生；Sb-N₄位点附近的碳空位能有效激活Sb原子p轨道上的电子，减弱了对OH*中间体的吸附，从而降低ORR势垒，提高了反应动力学。此外，得益于N₄第一配位球与第二配位球内空位的协同作用，显著提高了催化剂的稳定性。

因此，在碱性介质中，SbSA-N-C催化剂的半波电位(E_1/2)为0.905 V_RHE，并且该催化剂在120000秒测试中电流保持率为88.3%，以及在5000和8000次循环加速耐久性测试(ADTs)后E_1/2分别仅下降18和25 mV，证明其具有卓越的耐久性。此外，SbSA-N-C基锌-空气电池的最大功率密度达到181 mW cm⁻²、放电比容量达到794 mAh g^-1，以及循环寿命超过1200次，超过了Pt/C基锌-空气电池。

综上，该项工作证实了通过可控空位引入来调控第二配位环境来优化单原子催化剂活性的可行性，为设计具有高活性和高稳定性的非贵金属基催化剂以推动锌-空气电池的实际应用提供了策略。

Vacancy-enhanced Sb–N₄ sites for the oxygen reduction reaction and Zn–air battery. Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00808