人口的急剧增长和能源的过度消耗推动了能量储存和转换装置的发展。ZABs因其良好的可持续性、便携性、经济可行性和高能量密度而被认为是最有吸引力的候选电池之一。阴极的ORR是制约ZABs效率的关键因素。由于复杂的反应过程和缓慢的ORR动力学，开发低成本和高性能的ORR电催化剂非常重要。稀土镧元素具有大的原子半径、多壳层轨道电子和类芬顿反应惰性，在其上容易形成局域化的高配位结构，有利于反应中间体的吸附。稀土元素具有特殊的4f壳层电子构型，可以引入可调的电子性质和显著的自旋轨道耦合到耦合的d带中心，从而提高电催化性能。并且混合价态的稀土金属可以增强氧化还原性能，从而增强ORR活性。然而，对于单原子镧位点，由于所有最外层s和d电子的损失，几乎空的最外层轨道是稳定的，对于ORR是不活跃的。近年来，作为SACs的扩展，双原子催化剂（DACs）不仅具有SACs的优点，而且具有更灵活的活性中心和更高的金属含量，并且它们之间存在的协同作用可能突破单原子催化剂的限制。然而，目前定向控制构建双原子稀土金属活性位点仍然面临着巨大的挑战。

图1La₂-NG催化剂的合成和形貌表征

基于以上背景，该研究通过在焦耳超快加热装置上的快速热解使合成的[La₂(BA)₄(NO₃)₂(phen)₂]前体上的双原子La₂位点嵌入到N掺杂的石墨烯上，合成了双原子La催化剂（La₂-NG）（图1）。HAADF-STEM结果显示了La₂位点的形成，碳衬底上存在成对的La亮点（图1e，f）。XAS表征结果进一步证实了稳定的耦合La双原子结构的存在，并确定了La₂-NG中La的配位构型为La₂N₆（图2）。

图2 La₂-NG催化剂的结构表征

在O₂饱和的0.1 M KOH中评价了La₂-NG催化剂的电化学ORR性能（图3）。La₂-NG催化剂表现出优异的ORR活性和稳定性，优于商业Pt/C，La₂-NG催化ORR的E_1/2为0.893 V。并且该催化剂具有4e⁻转移路径的高选择性和优异的抗中毒能力。

图3 La₂-NG催化剂的电化学性能图

随后利用原位同步辐射表征研究了La_2-NG的ORR机制（图4）。在ORR期间更多的La位点被还原到较低的氧化态。这种还原削弱了OH在La位上的吸附，促进了OH的解吸，从而降低了ORR能垒。此外，随着含氧物质的吸附，La-N和La-La键长都表现出显著的扩展，表明在ORR过程中电子的重新分布，导致La₂-N₆进行结构重组，有助于调节中间体的吸附行为。

图4 La₂-NG催化剂的原位同步辐射表征

采用DFT计算构建了五种不同的双原子La掺杂石墨烯模型以进一步研究La₂-NG上的催化ORR机制（图5）。结果表明，La₂-N₆是ORR反应的活性位点，其在决速步具有最低的反应势垒。此外，差分电荷密度图和投影态密度图表明导带和价带在La₂-N₆表面排列良好，促进了有效的电荷载流子转移，并促进了催化活性。

图5DFT计算图

最后，由于La₂-NG的显著ORR电催化性能，组装了ZAB以探索其应用潜力（图6）。La₂-NG基ZAB的开路电压为1.52 V，优于Pt/C+RuO₂基ZAB的开路电压（1.46 V）。此外，La₂-NG组装的ZAB的最佳功率密度和比容量分别为192 mW cm⁻²和805 mAh g_Zn⁻¹，超过了Pt/C+RuO₂组装的ZAB（164 mW cm⁻²和734 mAh g_Zn⁻¹）。基于La₂-NG的ZAB在充放电循环275 h后表现出优异可逆性和耐久性，而基于Pt/C+RuO₂的ZAB仅在120 h后表现出显著的性能下降。

图6 La₂-NG基ZAB的性能图

该研究通过焦耳超快加热法制备了一种新型双原子镧催化剂（La₂-NG）。La₂-NG表现出很高的ORR活性，E_1/2为0.893 V。用La₂-NG组装的ZAB表现出1.52 V的高开路电压、192 mW cm⁻²的高功率密度、805 mAh gZn⁻¹的显著比容量和出色的长期稳定性，优于用贵金属Pt/C+RuO₂组装的ZAB。原位表征和DFT模拟显示La₂-NG优异的ORR性能源于嵌入石墨烯骨架的La₂-N₆活性位点。在ORR过程中，La₂-N₆为中间体吸附提供了有利的途径，降低了决速步的反应势垒，从而提高了La₂-NG的催化活性。此外，氮配位显著增加了La二聚体上的电荷密度，促进了有效的电荷转移，增强了催化过程。该研究为可控制备具有良好ORR活性和稳定性的稀土DACs提供了一种途径，并为深入理解双原子La位对ORR的协同作用机制提供了一种方法。

管景奇，吉林大学“唐敖庆学者”英才教授、博士生导师，从事纳米簇-单原子材料合成及电催化、能源和环境领域研究。于2002年和2007年分别获得吉林大学化学学士和理学博士学位。2012-2018年先后在加州大学伯克利分校和大连化学物理研究所从事博士后研究。迄今为止共发表SCI论文240余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Nat. Catal., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Sci. Bull., CCS Chem., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Mater. Sci. Eng. R, Chem. Sci.等期刊上共发表相关SCI论文210余篇和2个学术专著章节，其中22篇论文入选ESI Top 1%，H因子54。目前担任《催化学报》、《物理化学学报》、《EcoEnergy》期刊青年编委。

王振旅，吉林大学化学学院教授、博士生导师，主要研究方向为聚合和缩合催化。1994年和2002年分别获得吉林大学学士学位和博士学位。2009年晋升为吉林大学化学系教授。2005年至2006年在西班牙石油与催化研究所做访问学者。

牛效迪，吉林大学食品科学与工程学院教授，博士生导师，吉林大学“唐敖庆学者”英才教授。主要从事抗菌食源性天然化合物设计及化合物筛选等研究。以第一责任作者身份在国际知名期刊Advanced Functional Materials，Biosensors & Bioelectronics，Journal of Agricultural and Food Chemistry，Food Chemistry等发表学术论文60余篇。

孙婧茹，毕业于吉林大学，获理学学士和硕士学位。主要研究方向是用于能量转换和储存的单核/多核催化剂的合成。目前以第一作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Food Chem.等杂志上发表学术论文4篇。