单原子金属-氮-碳材料在氧还原反应（ORR）中显示出巨大的催化潜力，但开发具有高活性的耐用催化剂仍然是一个巨大的挑战。
近日，东北大学LiLi，燕山大学Jing Wang报道了一种具有半金属电子结构的双原子催化剂的研制，通过将Zn与Fe-N-C配对，以保持活性中心的持久性和高反应活性。
文章要点
1）研究人员进行了系统的理论计算，最终确定了从有希望的过渡金属候选中选择金属对。其中，Fe-Zn对表现出最高的质子化自由能，表明其潜在的最高稳定性。
2）研究人员以具有优良配位能力的壳聚糖和复合金属源为原料，通过高温热解合成了双原子催化剂，并通过详细的结构表征确定了它们的原子分散位点，配位数为4.02。值得注意的是，随后的理论计算表明，随着传导电子在费米能级自发自旋极化，Fe 3d轨道变宽，形成半金属电子结构。这种不对称的电子结构有利于电荷分布不均匀的含氧电催化。这种独特的电子结构只有一个自旋通道中的电子，保证了高O2捕获率、快速的电荷转移和容易的Fe-O键形成。除了质子化自由能的提高外，Zn进入双原子位置还导致FeN4的保存，而Zn-N键的断裂。
3）基于上述微/电子结构优势，该催化剂在0.1 M KOH和0.1 M HClO4中均表现出较高的半波电位，分别为0.906和0.808 V，超过了包括贵金属基准在内的大多数最先进的电催化剂。此外，它还表现出在实际应用中所需的苛刻酸性条件下的高长期耐久性，5000次电位循环后仅有12 mV的损耗。
本工作为通过电子结构调节实现ORR催化剂的高稳定性和高活性提供了一种策略，为设计高性能的能源电催化剂提供了新的思路。
参考文献
Hongguan Li, et al, A Durable Half-Metallic Diatomic Catalyst for Efficient Oxygen Reduction, Energy Environ. Sci., 2022
DOI: 10.1039/D1EE03194E
https://doi.org/10.1039/D1EE03194E
