高性能电催化材料的制备对推进催化和清洁能源技术至关重要。多年来研究人员致力于探索和设计晶相稳定的高性能电催化剂材料。然而，亚稳相材料，往往在体相材料界面结构或低温等特殊条件下获得，可能提供具有优异的催化活性表面。近日，大连理工大学杨明辉教授团队创新性的发现了亚氧化锆（Zr₃O）高性能催化材料。该相在Zr-ZrO₂界面形成，但在实验Zr-O相图中并未出现或报道。其氧还原反应（ORR）性能优异，超过商业Pt/C和大多数已报道的过渡金属基催化剂。该催化剂还具有高的普适性和可调性，最优样品的半波电位（E_1/2）达到0.914 V，在2万个电化学循环后仅减少3 mV。采用该材料作为阴极的锌空气电池（ZAB）具有241.1 mW cm^-2的高功率密度，并能稳定工作超过50天，展示了实际应用的潜力。亚氧化锆催化材料的发现表明，难以稳定的相或界面可能为发现高性能电催化剂开辟新的研究方向。

XRD精修谱图显示Zr₃O具有空间群为R-3c的六方晶体结构。尺寸约为3 nm的亚氧化物Zr₃O纳米颗粒均匀嵌入氮掺杂碳（NC）基底中并在其周围存在高度分散的Zr单原子。EDS图像清晰的显示Zr和O元素高度重叠，此外XPS也观察到O-Zr-N和Zr-O键的存在，证实了Zr₃O的成功合成。

Zr-Zr₃O/NC电催化剂具有优异的ORR活性和低的H₂O₂产率。DFT计算进一步证实在Zr和Zr₃O位点的4e^- ORR途径的热力学条件都优于2e^- ORR途径，说明发生的是O₂还原生成H₂O的4e^-过程。Zr₃O位点的决速步骤的自由能要低于Zr位点，这表明ORR更有可能发生在Zr₃O位点。上述结果有力地证实了Zr₃O纳米颗粒是主要的催化ORR活性中心。

引入Fe₃C颗粒得到的Zr-Zr₃O-Fe₃C/NC催化剂作为阴极展示出可靠的锌-空气电池（ZAB）实用性。基于Zr-Zr₃O-Fe₃C/NC组装的ZAB开路电压高达1.524 V，远高于基于商业Pt/C的ZAB。同时，该催化剂还具有高的比容量和长达50天的循环稳定性。这项工作为开发基于亚稳相材料的新型催化材料体系开辟了全新的研究思路。