非对称Fe位点与相邻缺陷位电子协同作用提升ORR活性和耐久性

锌-空气电池作为一种洁净、高效的绿色储能技术，在新能源领域中占据不可替代的位置。然而，空气阴极缓慢的ORR反应动力学限制了锌-空气电池商业化进程。Fe-N-C单原子催化剂是一类高效的非贵金属ORR电催化剂，活性可与贵金属Pt催化剂相媲美，但其耐久性和结构稳定性仍有待提高。另外，虽然已有大量的Fe-N-C单原子催化剂的研究报道，但针对ORR反应过程中真实的金属活性位点结构与相邻缺陷位之间的电子协同催化机制鲜有报道。

近日，东北石油大学李智君教授、南京师范大学王彧教授、中国科学院高能物理研究所展飞博士利用微环境工程策略在2D富缺陷的NC材料上制备了Fe单原子催化剂（Fe₁/DNC），在全pH范围内具有出色的ORR活性及稳定性。在碱性、酸性和中性ORR反应中，半波电位分别达到0.95 V、0.82 V和0.70 V，催化活性优于大多数已报道的Fe基电催化剂。Fe₁/DNC也表现出优异的循环稳定性和甲醇耐受性。另外，该催化剂组装的锌空气电池具有优异的充放电特性及运行稳定性。通过微观动力学模拟，得到了Fe位点在反应条件下的真实结构。研究发现，具有非对称性的Fe位点与周边具有电子诱导效应的碳缺陷共同影响金属活性位微环境电子结构及性质，可有效平衡反应中间物种OOH*的生成及OH*的还原，增强ORR活性和选择性。另外，独特的金属活性位微环境可有效调控金属原子与载体间的电荷转移，增强电子金属-载体相互作用，提升催化剂结构稳定性。

图1. Fe₁/DNC合成路线及形貌表征

图2. Fe₁/DNC原子级结构表征

图3. Fe₁/DNC在0.1 M KOH中ORR性能

图4. Fe₁/DNC在0.5 M H₂SO₄中ORR性能

图5. 锌空气电池性能

图6. 理论计算

本工作为设计合成具有高活性和耐久性的非贵金属碳基电催化剂提供理论依据。相关成果发表在Advanced Functional Materials 期刊，东北石油大学博士生姬思祺和南京师范大学博士生王昱皓为本文的共同第一作者。

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Regulating the Electronic Synergy of Asymmetric Atomic Fe Sites with Adjacent Defects for Boosting Activity and Durability toward Oxygen Reduction

Siqi Ji, Yuhao Wang, Hongxue Liu, Xue Lu, Chunmin Guo, Shixuan Xin, Joseph Hugh Horton, Fei Zhan,* Yu Wang,* and Zhijun Li*

Adv. Funct. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adfm.202314621