燃料电池和金属空气电池等许多应用的发展都迫切需要高效的氧还原反应（ORR）电催化剂。设计用于氧还原反应（ORR）的原子分散金属催化剂是实现高效能量转换的有前途的方法。近日，悉尼科技大学汪国秀，清华大学李亚栋，陈晨，国立台湾大学Ru-Shi Liu等多团队合作，开发了一种模板辅助方法来合成一系列锚定在多孔N，S共掺杂碳（NSC）基质上的单金属原子催化剂，并作为高效的ORR催化剂，以研究结构与其催化性能之间的相关性。结构分析表明，相同的合成方法得到的以Fe为中心的单原子催化剂（Fe-SAs/NSC）和以Co/Ni为中心的单原子催化剂（Co-SAs/NSC和Ni-SAs/NSC）的结构存在明显差异，这是每种金属离子在初始合成过程中与含N，S的前体形成络合物的趋势不同导致的。研究发现，Fe-SAs/NSC主要由分散良好的FeN4S2中心位点组成，其中S原子与N原子成键，而Co-SAs/NSC和Ni-SAs/NSC中的S原子与金属成金属-S键，从而形成CoN3S1和NiN3S1中心位点。DFT计算表明，FeN4S2中心位点比CoN3S1和NiN3S1位点更具活性，原因是FeN4S2中心涉及的中间体和产物的电荷密度较高，能垒较低。实验结果表明，三种单原子催化剂都具有高的ORR电化学性能，而Fe-SAs/NSC表现出最高的电化学性能，甚至优于商业化的Pt/C。此外，与市售Pt/C相比，Fe-SAs/NSC还显示出较高的甲醇耐受性，并具有高达5000次循环的高稳定性。该工作为高电催化活性单原子催化剂的结构设计提供了参考。
Jinqiang Zhang, Yufei Zhao, Chen Chen*, Ru-Shi Liu4*, Yadong Li*, Guoxiu Wang*, et al. Tuning the coordination environment in single-atom catalysts to achieve highly efficient oxygen reduction reactions. J. Am. Chem. Soc., 2019
DOI: 10.1021/jacs.9b09352
