与Pt/C催化剂相比，Fe单原子催化剂在酸性电解液中的氧还原反应（ORR）性能较差，严重阻碍了Fe单原子催化剂的发展。

近日，华中师范大学朱成周教授，北京大学郭少军教授，中国石油大学Weiyu Song报道了一类由超细Pd纳米团簇(Pd_NC)和具有良好自旋态的Fe-N-C/Pd_NC组成的杂化催化剂，用于提高燃料电池在酸性介质中的ORR。

文章要点

1）研究发现，当贵金属负载量很低时，Fe-N-C/Pd_NC的半波电势(E_1/2)为0.87 V（Pt/C 催化剂为0.85 V），并显示了在30,000个势循环后可以忽略不计的活度衰变。

2）实验和理论都揭示了PdNC和Fe单原子之间的强电子相互作用触发了Fe中心从低自旋(LS)到中自旋(MS)的自旋态转变，从而导致了性能的提高。电子注入垂直的d_z²轨道有效地实现了O₂的侧向吸附，进而实现了从间接4e^-途径，这得到了原位光谱监测的证实。此外，O(OH*)的d_z²轨道和2p轨道之间的s*键的产生抑制了位阻效应，加速了OH*的脱附，从而促进了整个ORR过程。

3）更重要的是，Fe-N-C/Pd_NC在H₂-O₂燃料电池中表现出了优异的性能，在2.79 A/cm²时最大功率密度(P_max)达到920 mW/cm²，甚至超过了Pt/C催化剂（2.62 A/cm²时，P_max=839 mW/cm²），有望成为质子交换膜燃料电池下一代阴极催化剂。

这项工作获得了对结构-活性关系的自旋电子学的洞察，这为电化学能源技术中催化剂的调节和优化提供了新的范式。

参考文献

Wei et al., Tuning the spin-state of Fe single atoms by Pd nanoclusters enables robust oxygen reduction with dissociative pathway, Chem (2022)

DOI：10.1016/j.chempr.2022.10.001

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.10.001