電化學能量轉換和儲存技術，包括利用水電解產氫、質子交換膜燃料電池(PEMFCs)，以及二氧化碳電化學還原(CO₂RR)成有價值的工業產品等，因其具有環境友好性和可持續性而受到廣泛關注。在這些技術和工藝中，常用催化劑多為貴金屬催化劑，但貴金屬的稀缺性和高昂的價格限制了它們的大規模應用。

因此，開發高效、廉價、無貴金屬的電化學催化劑對于推動這些技術的進一步發展至關重要。

基于此，中國科學技術大學陳乾旺課題組系統地研究了一種用于電化學還原反應(包括ORR和CO₂RR)的N?和O?配位的Li基碳骨架電催化劑。

元素周期表中的s區金屬，特別是價電子較少的ⅠA族金屬，由于其電子結構調控的困難，很少被報道為用于還原反應的高活性電催化劑。理論計算表明，ⅠA族元素鋰(Li)在N，O摻雜的石墨烯中是二氧化碳還原反應(CO₂RR)和氧還原反應(ORR)的有效電催化活性中心，其活性來自于原本空的Li原子2p軌道和配位原子軌道之間的s?p雜化軌道，并且這個空的2p軌道可以作為Li和N，O摻雜的石墨烯之間額外p?π共軛的位點。

這些效應可以改變石墨烯結構中具有適當N和O配位的Li的電子結構，使其適用于ORR(之字型Li-pyridinic-N₁-C₁)和CO₂RR(之字型Li-O₂)。

因此，Li?N，O/C催化劑在酸性條件下ORR(E_1/2=0.77 V)和CO₂RR(FE_CO在?0.55 V時達到98.8%，J_CO在?0.8 V時達到6.93 mA cm^?2)表現出顯著的性能。此外，該催化劑還可作為實用質子交換膜燃料電池(PEMFC)陰極反應的潛在電催化劑，利用Li?N，O/C催化劑組裝的PEMFC峰值功率密度可達430 mW cm^?2。

總之，該項工作采用密度泛函理論(DFT)計算與實驗相結合的方法，設計了一種新型高活性的基于s區元素的鋰基電催化劑，為未來設計其他s區元素，如Na和K等用于高效電還原反應的催化劑提供了范例。

Main-Group s-Block Element Lithium Atoms within Carbon Frameworks as High-Active Sites for Electrocatalytic Reduction Reactions. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300475