開發(fā)高效、低成本的氧還原反應(yīng)(ORR)電催化劑對于燃料電池和金屬-空氣電池的進一步發(fā)展具有重要意義。然而，O=O鍵斷裂所需的高能量和4e?/4H+轉(zhuǎn)移過程緩慢的動力學(xué)，導(dǎo)致大多數(shù)電催化劑的ORR性能不理想。盡管Pt基金屬(PGM)催化劑對ORR表現(xiàn)出最先進的活性，但大規(guī)模應(yīng)用受到價格高昂和稀缺性的限制。
原子分散的FeN4催化劑被證明是PGM有前途的替代品，但大多數(shù)報道的FeN4催化劑由于類超氧O2吸附導(dǎo)致的O?O鍵斷裂能力較差。Fe原子團簇有望通過形成類過氧化物的O2吸附來促進O?O鍵的裂解，但鐵團簇和含氧中間體之間過強的結(jié)合強度抑制了其活性。基于此，阿爾伯塔大學(xué)李智課題組報道了一種高ORR活性的Fex/Cu?N@CNF催化劑，其中Fe原子團簇由相鄰的單個CuN4位點錨定在多孔碳納米纖維膜上。泛函理論密度(DFT)計算顯示，CuN4位點協(xié)助激活O2以減少O2*質(zhì)子化的能壘，調(diào)制Fe d軌道和O p軌道的重疊來促進OOH*中間體中O?O鍵斷裂，從而顯著提高整體ORR活性；同時，F(xiàn)ex/Cu?N@CNF催化劑內(nèi)相互連接的微孔和介孔賦予材料豐富的活性位點和快速的物質(zhì)運輸特性，進一步增強了ORR的反應(yīng)動力學(xué)。電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示，所制備的Fex/Cu?N@CNF催化劑的起始電位(Eonset)和半波電位(E1/2)分別為1.03 V和0.944 V，并且在堿性介質(zhì)中具有顯著的耐久性，優(yōu)于商業(yè)Pt/C和大多數(shù)報道的催化劑。此外，使用Fex/Cu?N@CNF組裝的鋅-空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的比容量(1110.4 mA h g?1，100 mA cm?2)和超過400小時的長時間循環(huán)耐久性，超過了基于Pt/C的鋅-空氣電池。綜上，該項工作不僅強調(diào)了單原子對金屬原子團簇的影響，而且為設(shè)計高活性催化劑提供了一種新的和有效的策略。Single Cu?N4 Sites enable Atomic Fe Clusters with High-performance Oxygen Reduction Reaction. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE00840A
