稀土镧元素因具有大原子半径、多壳层轨道电子及类芬顿惰性，易形成局部高配位结构，从而高效吸附反应中间体。然而，单原子镧位点因完全失去最外层s、d电子，其空置最外层轨道虽结构稳定，却导致其氧还原反应（ORR）活性不足。
2025年6月25日，吉林大学王振旅、管景奇、牛效迪在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《A Dual-Atom La2 Catalyst for the Oxygen Reduction Reaction》的研究论文，Jingru Sun为第一作者，王振旅、管景奇、牛效迪为论文共同通讯作者。
本研究采用焦耳热超快合成法，在氮掺杂石墨烯上成功制备新型双原子镧催化剂（La2-NG），其ORR半波电位提升至0.893 V。基于该催化剂组装的锌空电池表现出优异性能：开路电压达1.52 V，峰值功率密度高达192mW cm-2。
通过原位X射线吸收光谱，揭示了ORR过程中镧价态演变及石墨烯嵌入型La2-N6基团的动态结构演化，证实该构型可精准调控氧还原中间体的吸附/脱附过程。理论计算进一步表明，La2-N6结构可有效降低反应能垒并促进电荷转移。
图1：La2-NG催化剂的合成与结构表征。图a为焦耳超快热解法合成示意图。图b、c的TEM和HRTEM图像显示La2-NG为褶皱纳米片结构，无金属纳米颗粒或团簇。图d的元素分布图表明La、N元素在石墨烯上均匀分布。图e、f为HAADF-STEM图像，亮点代表了La原子对，证实了金属La二聚体的形成。图g为原子位点的强度分布。图h为原子位点的三维模型。
图2：材料的晶体结构与电子性质。图a为不同材料的XRD谱图，无La相关相。图b、c为La2-NG 的La3d、N1s的XPS谱图。图d-f的XANES/EXAFS表明La2-NG价态介于La1-NG与La2O3之间，且存在La-N和La-La配位。图g-j的WT-EXAFS进一步确认La2-N6活性位点的形成。
图4：原位XAS揭示ORR动态演化。图a-d的XANES和EXAFS光谱显示随着电位降低，La价态降低，La-O配位数减少，反映出*OOH→*O/*OH的转化。图e-h的WT-EXAFS光谱证实La2-N6结构在反应中保持稳定，La-N/O和La-La键协同调控中间体吸附。
图5：DFT理论计算。图a为La2-N6的稳定结构以及ORR反应的中间体结构。图b的自由能图显示La2-N6决速步（OH→*）能垒最低。图c-j的差分电荷密度和PDOS图像分析表明N配位能增强La二聚体电荷密度，La2-N6表面上的导带和价带对齐，促进了有效的电荷载流子转移，从而提升了催化活性。
图6：锌空气电池性能评估。图a为电池结构示意图。图b为La2-NG与Pt/C+RuO2组装的锌空电池开路电压对比。图c为放电极化曲线及功率密度分布图。图d为比容量测试曲线。图e为La2-NG基锌空电池与其它ORR催化剂组装的电池功率密度/比容量对比。图f为恒电流放电曲线。图g为充放电循环曲线。图h为La2-NG基锌空电池往返效率，基于La2-NG的ZAB表现出良好的可逆性和耐久性。
本研究通过焦耳超快加热法成功合成了一种新型双原子镧催化剂（La2-NG），其以氮掺杂石墨烯为载体，构建了La2-N6活性位点，显著提升了氧还原反应的催化性能。
该研究为稀土双原子催化剂的设计提供了新范式，在燃料电池、金属–空气电池等清洁能源领域具有广阔应用潜力，尤其适用于需高稳定性和抗毒化性能的工业场景。其合成方法还可拓展至其他稀土双原子体系，推动非贵金属催化剂的开发。
A Dual-Atom La2 Catalyst for the Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202509063.