張佳楠，鄭州大學材料科學與工程學院教授，博導，教育部青年長江學者，英國皇家化學會會士，中國化學會女委會委員，中國化學會青委會委員。分別于2005年和2010年獲得吉林大學學士學位和博士學位（導師：于吉紅 院士） ，2008年至2009年在美國橡樹嶺國家實驗室訪問 （導師：戴勝）。2019年在日本國立綜合產業技術研究所（AIST）訪問學習 （合作導師：周豪慎）。
近年來，主要從事碳基復合材料在質子交換膜燃料電池（PEMFCs）和金屬空氣電池等能源轉換與能源存儲裝置中的電催化材料的設計、構筑、應用以及相關電催化過程機理研究，并取得了重要進展。標志性成果：開發無模板納米空間限域和熱力學控制等方法，實現碳限域多活性中心能源催化材料，解決電極材料在電化學過程中活性衰減的問題；揭示非貴金屬-氮-碳催化劑中納米團簇和單原子協同催化作用機制；利用理論計算結合實驗方法揭示過渡金屬活性中心內建微磁場環境調控與催化性能的關系，獲得多種穩定高效的新能源材料。迄今為止，在Nat. Commun.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater. 等期刊上發表論文80余篇，多篇文章被評為ESI高被引文章； 2020年獲省科技成果一等獎（排名第1），2021年獲河南省自然科學獎二等獎（排名第1）；擔任多個期刊編委和客座編輯，包括高等學校化學學報（Chem. J. Chinese. U.）、InfoMat、中國化學快報、電化學；同時擔任中國化學會青委員會委員，中國化學會女委員會委員。入選2022年全球前2%頂尖科學家。取得的一些代表性成果如下：
1) 提出利用納米限域催化的概念，通過表面化學、簇化學和幾何結構限域等手段，促進雜原子摻雜碳層與金屬顆粒、金屬簇或金屬原子之間的電子傳遞。團隊利用納米限域策略，通過低成本的多孔聚合物包覆多壁碳納米管，將金屬和磷前體原位封裝在其孔隙和通道中。在摻雜 P,N 的多孔碳@碳納米管同軸納米線上錨定了高活性單 Co 原子，對照實驗和 DFT 計算證實，原子尺度的 Co 和核殼結構的協同效應有利于 Co-P,N-CNT 在堿性和酸性介質中的高 ORR 活性和耐久性(Chem.Commun.,2017,53,9862-9865)。在此基礎上，通過簡便的一步自組裝和封閉熱解方法，在摻N的碳納米管中封裝具有雙活性位點的磷化鈷-氮化鈷核殼納米顆粒(Co2P/CoN-in-NCNTs)，得益于Co2P/CoN NPs 雙活性位點和多孔導電 N 摻雜碳網絡之間的協同效應，Co2P/CoN-in-NCNTs 催化劑可用作HER/ORR/OER和鋅空氣電池的高效三功能電催化劑（Adv. Funct Mater,2018,28,1805641）。進一步利用納米限域手段研究了雜原子摻雜碳層與金屬簇和金屬原子之間的電子傳遞。通過硫化非均質的 FexC 和 Fe 亞原子簇，生成 Fe-S 鍵，大大提高了 Fe 原子的利用率，硫相對大的原子半徑導致碳載體上的缺陷，較低的電負性改變 Fe-N 活性中心的電子結構，有效改善了活性中心的反應效率（Adv. Mater.,2018,30,1804504）。
同時，通過對碳層進行聯合調控（摻雜工程、缺陷工程、幾何工程等）精確調制金屬活性位的電子結構（能級結構、空穴結構、電子自旋態等），從而大幅提升催化劑的活性及穩定性。團隊利用軟模板誘導策略受控合成富氮核殼結構的鈷-碳納米顆粒，這些顆粒分散在摻雜 N 的彎曲碳納米片上。通過幾何工程調控得到具有高電子捐贈能力的彎曲碳納米片上負載 Co-C 核殼納米顆粒的高催化活性中心（Small,2016,12,2839-2845）。此外，團隊利用廉價碳材料，通過摻雜工程結合熱解方法構建了多種非金屬雜原子配位的多孔炭材料，設計出高效、低成本的電催化劑。具體而言，團隊通過使用超輕型生物質廢棄物作為C，N和S元素的前驅體，成功設計并構建了一種富含缺陷和 N/S 雙重摻雜的干酪樣多孔碳納米材料（Small,2018,14,1800563）。團隊通過一種簡便的軟模板熱解方法構建了一種 P 和 N 配位的富勒烯樣碳(N,P-FC)多功能催化劑。綜合理論計算研究表明，P 配位的 C 位點對CO2RR更為活躍，而 N 配位的鄰近 C 位點則負責ORR。通過雜原子共摻雜和形態控制來調節表面電荷再分布的新概念，從而設計出高效、低成本的電催化劑。考慮到鐵基催化劑作為ORR非貴金屬替代的潛在優勢，團隊以酞氰鐵分子為 Fe 源，通過高溫煅燒法合成富含缺陷的多孔碳材料，然后通過濕化學方法制備了同時具有兩種活性位點的 FePc@N,P-DC 催化劑。該催化劑的電化學催化性能相比單一活性位點的催化劑得到顯著提升（Appl. Catal. B Environ.,2020,260,118198）。團隊通過將P加入到 N,P 摻雜碳(Fe-N-C-P/N,P-C)上的富邊緣 FeN4 中，異質原子可以通過長距離電子離域來影響活性中心的金屬電荷。密度泛函理論(DFT)計算表明，加入邊緣型 FeN4 可以驅動電子離域，減少 FeN4 中心的帶隙，顯著降低自由能壘的四電子ORR動力學，表明優越的內在ORR活性（ACS Catal.,2021,11,12754）。在此基礎上，團隊還探索了幾何工程對邊緣和原子臺階的作用，制備了具有高指數晶面指數的曲面凹形 Pt-Zn 納米立方體。實驗和理論計算表明，凹形納米立方體形狀提供了更活躍的表面結構，同時也提高了 Pt 的利用率，它們調整了鉑表面的電子結構，從而提高了催化活性（Adv. Sci.,2022,9,2200147）。此外，還探究了富氧官能團在ORR中的作用，通過將具有豐富的含氧官能團和獨特的分層多孔結構的生物質碳作為基底，探究氧摻雜對 Fe-N-C 催化劑的ORR性能的影響。XPS和XANES證明控制兩步熱解溫度的不同，合成了具有不同氧摻雜結構的 Fe-N-C 。理論與實驗證明，C-O-C 結構能夠明顯提高活性中心的ORR活性（Adv. Sci.,2022,9,2200147）。同時，團隊以摻硫的富缺陷石墨氮化碳(S-Nv-C3N4)材料為模型，提出了一種通過增強超薄二維氮化碳納米片的鐵磁性來促進局部電子極化的策略。硫的引入進一步促進了局部鐵磁耦合，從而誘導了長程鐵磁有序，加速了電子界面傳輸。同時，硫原子的雜化打破了單元結構的對稱性和完整性，促進了電子的富集，刺激了電子在活性位點上的離域。這種優化增強了 *OOH 的解吸作用，為 H2O2 的產生提供了有利的動力學途徑（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63,e202407578）。
2) 提出了
自旋調控電催化反應的新機制，通過化學環境調控策略，揭示了催化劑金屬活性中心自旋態與活性之間的構效關系。團隊基于配體場理論，通過轉換富含缺陷的吡咯N配位 FeNx 位點，實現了 SA Fe-N-C 中Fe活性中心的電子自旋態調制。利用 Fe(III) 高自旋態(S5/2)活性的優勢，設計的 Fe-N
4-HS 催化劑顯示出優異的ORR活性，與商業 Pt/C 催化劑相當(Adv. Sci.,2022,9,2200147)。鑒于 FeN
x S1位點被認為具有高活性，但可以通過高自旋態轉變為不活潑的氧化鐵而降解，而低/中自旋位點 FeN
4 S2 位點的結構相對更穩定，但內在活性相對較低。在此基礎上，團隊開發了一種基于pyrr-N配體的“自上而下”的熱驅動策略來控制金屬原子化和N配位修飾環境。通過
57Fe 穆斯堡爾譜測試和DFT計算證明，Fe
n團簇有效穩定了高活性的 FeN
4 S1 位點，抑制了 FeN
4 部分N原子的質子化，從而減輕了活性位點的Fenton反應和脫金屬化，使催化劑具有較高的耐久性和活性（Adv. Energy. Mater.,2024,14,2303733）。團隊通過硫介導的高殼配位摻雜策略進行設計，合成了一種高效的 Mn-N-C-S 催化劑，實驗結果和理論計算都表明，高殼層 S 摻雜可以提高 Mn 位點的自旋密度，增強 Mn-N 鍵，從而提高 Mn-N
4 位點的耐久性（Small,2025,21,2411678）。此外，團隊還研究了非金屬位點自旋極化對氧還原反應的電化學性能影響。通過在邊緣石墨氮(N)附近的活性 C-C 鍵上引入了應變效應，提高了碳活性中心的適當自旋極化和電荷密度，從動力學上有利于 O
2 的吸附和含 O 中間體的活化。發現在 C-C 鍵上引入應變效應來提高ORR，從而顯示了不對稱結構的自旋極化（Adv. Sci.,2023,10,2302930）。以及通過一步熱解法構筑碳包覆 FeCo 合金的核殼催化劑，通過控制 FeCo 比例有效調控電荷轉移程度，使表面碳層的 N 位點具有不同的極化程度，精準調控非金屬活性位點磁矩的同時有效提升了氧還原反應的電化學性能（Adv. Energy Mater.,2024,14,2303011）。
進一步團隊通過構筑鐵磁性自旋位點，利用自旋極化激活自旋禁阻反應，使析氧反應轉變為新路徑，極大提高了催化效率。團隊提出了一種非常規的 Co-Fe 雙位點分段協同機制（DSSM），用于碳納米管上的單疇鐵磁催化劑 CoFeSx 納米團簇(CFS-ACs/CNT)，可以有效地打破比例關系而不犧牲穩定性。Co3+(L.S, t2g6eg0)提供強的OH吸附能，而Fe3+(M.S, t2g4eg1)暴露出強氧吸附。這些雙位點協同產生Co-O-O-Fe中間體，從而加速三重態氧（↑O=O↑）的釋放，且具有較長的穩定性（Nat. Commun.,2024,15,1720）。
3) 提出多種催化劑自旋調控策略，（一）基于晶體場理論的原子級碳基催化劑的自旋調控手段，（二）構筑內建磁場、異質界面實現催化劑表面局部自旋精確調節的新方法，（三）針對貴金屬基催化劑，提出自旋電荷注入效應，為自旋增強的貴金屬基催化劑活性穩定性增強提供了新的思路。
（一）基于晶體場理論的原子級碳基催化劑的自旋調控手段，團隊設計并實現了在聚酞菁(PPc)有機框架中以明確的 FeN4 和 MoN4 配位形式原子分散的Fe和Mo位，以研究 FeN4 自旋態對NRR行為的影響。鄰近 MoN4 可以調節鐵中心的自旋狀態 FeN4 從高自旋到中自旋，其中空的d軌道和分離的d電子有利于Fe 3d與N 2p軌道的重疊，更有效地激活 N≡N 三鍵，為通過原子調節金屬中心的自旋狀態來開發高效NRR電催化劑提供了新見解（Adv. Sci.,2021,8,2102915）。以及通過合成雙金屬原子分散的 Fe,Mn/N-C 催化劑，揭示了過渡金屬離子3d軌道的自旋態結構對ORR活性的重要影響。實驗結果與理論計算共同表明，相鄰原子分散的 Mn-N 能有效激活 FeIII 位點，使 FeIII 在 FeN4 位點中實現單個 eg 電子填充，從而更加有利于電子進入O的反鍵軌道上，實現 O2 的活化（Nat. Commun.,2021,12,1734）。（二）構筑內建磁場、異質界面實現催化劑表面局部自旋精確調節的新方法。構筑內建磁場，團隊通過在半導體 TiO2 納米管上吸附鐵酞菁(FePc@TiO2)，證明 TiO2 原子階梯點的固有磁場誘導費米級附近的 Fe 3d 自旋翻轉，從而增強了 Fe-O 共價鍵，這一過程有效地加速了從 *OO 到 *OOH 的質子化步驟，并激活了吸附的 O2，從而促進了高效的ORR（ACS Catal.,2024,14,7191）。團隊通過定義明確的異質催化劑結構，利用 CuO 納米片中的末端氧通過點擊限制來共價連接 FePc 。根據密度泛函理論計算，dxz/dyz/dz2的能級升高，而Fe的自旋態由中自旋轉變為低自旋。因此，Fe與LiPSs之間的 d-p 軌道雜化得到改善，從而提高了Li-S電池的吸附能和催化性能（Adv. Mater.,2024,36,2409369）。（三）針對貴金屬基催化劑，提出自旋電荷注入效應，為自旋增強的貴金屬基催化劑活性穩定性增強提供了新的思路。利用定向自旋電荷注入效應將電荷注入到 Pt 位點，并通過磁場變化來優化 PtFe 合金納米晶中的雙Fe位點與碳載體上原子分散的FeN4位點之間的相互作用，從而優化中間體吸附行為，提升ORR性能。運算實驗和理論證明，Fe dz2 軌道的注入電子填充了垂直的 Pt dz2 軌道，實現了 O2 的側向吸附和解離途徑（Nat.Commun.,2024,15,5990）。
http://www5.zzu.edu.cn/clgc/info/1039/1915.htm