开发清洁高效的新型能源转换技术对于解决当前环境污染以及能源短缺的问题具有重要意义。燃料电池和金属锌-空气电池具有重要的应用前景，但其整体能量转换效率受制于处于阴极的电催化氧气还原反应的效率。因此，开发高效的电催化氧气还原催化剂，对于提高这些新型能源转换体系具有重要意义。

在自然界中，细胞色素c氧化酶（CcOs）可以高效催化氧气的四电子还原。研究人员发现氧气首先在处于还原态的Fe^IICu^I上结合并活化形成Fe^III-peroxo-Cu^II物种，随后发生氧氧键断裂实现四电子氧气还原。然而，在电催化氧气还原条件下（热力学反应平衡电位 1.23 V vs RHE），铜离子处于Cu^II，很难提供电子来活化氧气。因此目前报道的铁卟啉/铜模型化合物，其电催化氧气还原的效率不高。

近日，陕西师范大学的曹睿教授报道了一种受细胞色素c氧化酶启发的钴-咔咯/钴配合物（1-Co），通过在钴咔咯的第二配位层引入具有氧化还原活性的Co^II来替代Cu^I在CcOs中发挥的作用，用于实现高效的四电子电催化氧气还原。

在碱性条件下，1-Co可以非常高效的实现电催化四电子氧气还原，其半波电位为0.89 V vs RHE。该性能优于在第二配位层含有Cu^II的1-Cu、在第二配位层含有Zn^II的1-Zn、以及不含有第二配位层金属离子的1。同时，该性能在咔咯基氧气还原催化剂中也是非常杰出的。

通过设计实验，作者研究了1-Co结合并活化氧气的过程。作者发现1-Co在室温条件下就可以与氧气发生反应。顺磁光谱技术以及红外光谱技术进一步证明了悬挂在第二配位层的Co^II可以发挥路易斯酸以及给出电子的作用，从而将在钴咔咯位点上生成的超氧中间体进一步迅速还原到过氧物种。因此，悬挂了Co^II的钴咔咯可以从热力学角度改善钴咔咯结合并活化氧气的反应过程。

随后，作者研究了1-Co与氧气结合并活化的动力学过程。与同样悬挂金属离子的1-Zn相比，1-Co可以更快速的结合并活化氧气。研究结果发现1-Co与氧气反应的反应速率常数高出1-Zn两个数量级。由此说明悬挂了Co^II的钴咔咯也具有更快的结合并活化氧气的反应动力学。

总之，该工作报道了一种高活性以及高选择性的钴-咔咯/钴配合物1-Co。1-Co在目前报道的咔咯基电催化氧气还原催化剂中，具有最好的性能。同时，该工作提出了在第二配位层引入具有氧化还原活性的Co^II对于从热力学和动力学角度促进氧气活化过程的重要意义。最后，该工作为将生物体活化氧气的机理应用到电催化氧气还原提供了一种新的策略。