电化学氧还原反应（ORR）动力学迟缓是阻碍燃料电池和可充电金属-空气电池广泛商业化的关键因素之一。然而传统用于催化ORR的铂基催化剂的高成本、稀缺性和较差的稳定性极大地阻碍了铂基催化剂的广泛应用。因此，开发具有高性能、低成本的无贵金属电催化剂具有重要意义。研究表明，在非铂基催化剂中，固定在碳(M-N-C)催化剂上的过渡金属配位氮原子由于其独特的电子性质和在酸性和碱性电解液中良好的电化学稳定性而成为近年来最具吸引力的催化剂。M-N-C催化剂中的M-N_X原子部分被认为是ORR的催化活性中心。为了进一步提高M-N-C单原子催化剂的催化性能，通常采用两种策略，包括：调整金属中心的电子结构和优化M-N-C原子的几何结构以提高活性位点利用率。

有鉴于此，清华大学王定胜副教授，李亚栋院士报道了首次成功合成了一类具有密集分散的孤立单原子铜活性位和强化传质的单原子铜催化剂（Cu-SA/NC(meso)），并用于电催化ORR。

文章要点

1）研究人员首先在氩气气氛下碳化ZIF-8沸石表面的介孔SiO₂层，然后在HF溶液中酸浸去除SiO₂层，得到具有增强介孔的三维多面体碳颗粒材料（NC(meso)）。然后以富介孔的高缺陷碳多面体为载体，包裹Cu(NO₃)₂分子（铜源）和尿素。最后在氩气氛下将混合物热解后，得到Cu-SA / NC（meso）催化剂。其中，尿素的热分解会产生氨，氨将充当还原剂，以便在热解过程中将Cu位点从+2转换为+1氧化态，从而生成更多的Cu¹⁺–N活性位点。而ORR活性会随着Cu¹⁺位点的增加而增加。

2）实验结果显示，经过优化的Cu¹⁺-SA/NC(meso)-7催化剂在碱性电解液中表现出优异的电催化活性、较长的耐久性和较高的耐甲醇能力，在0.90 V时的半波电位（E_1/2）为0.898 V，大的动能电流密度（JK）为5.36 mA cm^-2，效果优于目前报道的大多数具有优异性能的ORR电催化剂。令人印象深刻的是，基于Cu¹⁺-SA/NC(meso)-7电极的可充电锌空气电池表现出优异的性能和高功率密度，显示了Cu¹⁺-SA/NC(meso)-7巨大的实际应用前景。

3）机理分析结果表明，Cu¹⁺原子中心的密集分布是提高Cu¹⁺-SA/NC(meso)-7催化剂ORR催化活性的关键因素，而增强的介孔结构通过改善对内部活性中心的可及性，促进了Cu¹⁺活性中心的质量/电荷传递，有效提高了Cu¹⁺活性中心的利用效率。

Tingting Sun, et al, Engineering of coordination environment and multiscale structure in single-site copper catalyst for superior electrocatalytic oxygen reduction, Nano Lett., 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02677

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02677