锌空气电池因理论能量密度高、安全且成本低，显示出作为清洁能源设备的巨大潜力。然而，动力学缓慢的阴极氧还原反应仍高度依赖于昂贵和稀缺的Pt基催化剂。Ag价格低廉，丰度高，是替代Pt的有希望的ORR催化剂候选者。然而，与Pt相比，Ag仍然表现出较差的ORR活性和稳定性。单原子催化剂因其独特的几何性质和最大的金属原子利用率，使金属活性中心具有更高的催化活性。因此，通过将Ag从纳米颗粒缩小为原子尺寸，有可能获得高活性的ORR催化剂。同时通过微调金属中心的协调环境可以进一步提高单原子催化剂的活性。然而，如何设计和合成具有受控协调环境的Ag及单原子催化剂仍然具有挑战性。

本文通过调控设计制备杂原子掺杂的Ag₁-h-NPClSC催化剂，通过对样品进行球差电镜、X射线光电子能谱和X射线吸收谱确定了Ag-NPCl的直接配位构型，S原子镶嵌于碳载体中。电化学测试发现，杂原子配位的Ag₁-h-NPClSC催化剂对氧还原的催化性能得以提升，同时具有优秀的电化学稳定性，并最终组装得到高性能的锌空电池。进一步通过理论计算阐述了催化剂性能提升的原因。

北京化工大学庄仲滨教授、朱威副教授团队，通过杂原子的掺杂对Ag单原子的活性位点进行配位环境的调控，在空心的碳基底上制备出N、P、Cl、S掺杂的Ag单原子催化剂（Ag₁-h-NPClSC）。该催化剂展现出优异的氧还原催化活性和电化学稳定性，同时作为阴极催化剂组装的锌空电池也表现出优秀的电池性能。理论模拟计算揭示了Ag原子的配位环境对氧还原性能的影响规律。

如图1所示，所得的Ag₁-h-NPClSC催化剂呈现粒径约为160 nm的均匀多面体形貌，具有中空结构。Ag、N、P、Cl、S元素均匀分布在空心的碳载体上。

图2确定Ag₁-h-NPClSCC催化剂中一个Ag原子与N、P、Cl形成三配位结构，S仅掺杂在碳载体中。

如图3所示，电化学性能测试结果表明，在0.1 M KOH中，Ag₁-h-NPClSC催化剂展现出优秀的氧还原催化活性和稳定性，在0.85 V下的TOF和质量活性分别为商业Pt/C的6和62倍。与仅N配位的Ag单原子催化剂（Ag₁-NC）和负载在空心的碳载体上的Ag纳米颗粒（Ag NPs-NPClSC）相比，由于杂原子与Ag单原子的配位，Ag₁-h-NPClSC具有更高的ORR活性。同时相较于Ag颗粒，展现出了优秀的电化学稳定性。

图4的理论模拟算表明，从纳米Ag到N配位的Ag单原子再到多个杂原子配位的Ag单原子，氧还原决速步从生成OOH*物种到O*物种再到OH*物种的转变。Ag₁-h-NPClSC的决速步能垒最低，具有最优的ORR活性。

如图5所示，Ag₁-h-NPClSC所装配的锌空电池峰值功率密度达到270 mW·cm⁻²，同时在不同电流密度下均能提供更高更稳定的放电电压，表明Ag₁-h-NPClSC催化剂在锌空电池中的应用潜力。

R. Sui, X. Zhang, X. Wang, et al. Silver based single atom catalyst with heteroatom coordination environment as high performance oxygen reduction reaction catalyst. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4499-8.