氧还原反应是金属-空气电池和燃料电池等能源器件中的重要半反应。通过降低其反应的过电势可以有效提升相关能源器件的使用效率。现如今，用于氧还原的铂基商用催化剂严重受限于高昂的成本和较差的长期稳定性。因此，设计开发高效的非贵金属催化剂一直以来是相关研究领域的热点方向。

单原子催化剂凭借极高的金属原子利用率、金属原子局域配位结构的高度可调节性、以及优异的催化活性和选择性，被认为是一类非常有前景的催化剂。然而目前展现出高效氧还原催化活性的单原子催化剂仍仅限于个别金属元素，如Fe，Co，Mn，Zn。这一局限性极有可能因为目前单原子催化剂的单一平面配位结构。与此同时，由于单原子金属位点通常展现出非常高的表面自由能，在制备过程中单原子位点很容易团聚成金属团簇或颗粒，致使制备的催化剂具有较低的单原子活性位点密度。这进一步限制了其相应能源器件的性能，尤其是在大电流密度使用下。比如，目前报道的基于单原子催化剂的锌-空气电池最大输出功率仍低于200 mW cm^-2。

近期，德国德累斯顿工业大学冯新亮教授、于明浩研究员，联合Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf研究所Agnieszka Kuc研究员设计并制备了用于高效催化氧还原反应的五配位锆基单原子催化剂。实验结果表明，制备的催化剂中单原子锆位点具有独特的轴向氧原子配位。这一特性有效降低了锆单原子的d轨道中心，进而使得锆单原子活性位点具备合适的氧中间体吸附特性和稳定的配位结构。电化学测试显示，该催化剂的活性远超于商用铂基催化剂的活性，展现出0.91 V vs. RHE的氧还原半波电位，以及优异的长期稳定性（130小时测试后仍具有92%的电流保持率）。催化剂的单原子锆位点还具有很好的抗团聚能力。研究进一步合成了高单原子位点负载的催化剂（锆单原子达到9.1 wt%），极大地提高了基于该催化剂的锌-空气电池的输出功率（最高功率密度：324 mW cm^-2）。该工作对改进现有单原子催化剂和设计基于新型金属元素的单原子催化剂均提供了重要的指导。