近日，新澳彩资料库隋旭磊副教授联合哈尔滨工业大学王振波教授等研究团队围绕燃料电池阴极酸性氧还原反应单原子催化剂的界面结构调控取得了系列研究进展。团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表题为“Stabilizing High-Activity FeN5 Sites via an Adaptive N-linked Carbon Bilayer for Stable Fuel Cells”的研究论文，深圳大学已毕业硕士生袁隆基、李旗和哈尔滨工业大学苗震雨为共同第一作者，深圳大学隋旭磊副教授、哈尔滨工业大学王振波教授为论文通讯作者。同时，在《Adv. Mater.》发表题为“Breaking the Intermediate Solvation Shell on Single-Atom Catalysts With a Proximal Group Perturber for Enhanced Oxygen Reduction”的研究论文，深圳大学和燕山大学联培硕士生韩朝阳、中科院甘瑞辉、深圳大学硕士生龚涛为共同第一作者，深圳大学隋旭磊副教授、郑勇平副教授、燕山大学邵光杰教授和哈尔滨工业大学王振波教授为论文通讯作者。深圳大学均为第一通讯单位。
单原子催化剂在电催化领域，尤其是燃料电池氧还原领域有着极为重要的应用潜力，有望替代昂贵的铂基金属催化剂。然而，目前单原子催化剂由于其结构特殊性，导致催化活性位点数量和稳定性仍难以满足器件需求，因而围绕单原子催化剂开展活性位结构调控是目前热点研究方向。通过位点结构的构筑不仅可以实现配位结构的优化，提升电子效应对反应路径的调控，而且可以改善界面微环境，调控界面水氢键网络，加快反应过程。
成果一提出一种”修复-升级”工程策略，通过原位化学气相沉积同步补充碳和氮, 不仅修复热解产生的缺陷，还将传统FeN4构型升级为稳定的五配位FeN5位点, 同时原位构建了氮连接的碳双层。轴向氮配位调控Fe中心的电子结构以提升本征活性, 而碳双层的自适应层间距则补偿了催化过程中轴向Fe-N键长的波动，从而锚定活性位点。所得催化剂在H2-O2燃料电池中峰值功率密度高达1.221 W cm-2，循环10000圈后仍保持85 % 以上功率密度; 在H2-air测试中, 0.6 V恒电位运行45 h几乎无衰减，该设计为稳定单原子催化剂提供了新方式。
图1 a，催化剂的流程；b，自适应碳双层稳定机制；c，XANES和EXAFS拟合及⁵⁷Fe Mössbauer谱；d质子交换膜燃料电池极化曲线与稳定性图。
成果二提出一种适用于单原子催化剂的固定化分子扰动通用策略，将氢键网络的调控功能从电解液转移至催化剂的第二配位层。以铁氮碳单原子催化剂的氧还原反应为研究模型，证实近邻磷氧（P-O）基团可作为空间位阻与氢键型双效扰动基；光谱表征与理论计算结果表明，这一人工设计的微环境可选择性弱化关键羟基中间体（*OH）的溶剂化壳层，从而促进OH 脱附这一决速步的进行。该调控策略赋予催化剂优异的电催化性能：在硫酸电解液中，其氧还原反应半波电位达 0.861 V; 在氢-氧质子交换膜燃料电池中，电池峰值功率密度达 1024 mW・cm-2。此外，该催化剂展现出卓越的稳定性，在 0.65 V 恒电位下持续运行 253 h 后，电流保持率仍达72 %。本研究实现了电催化催化剂的研究范式从单一活性中心优化向精准的局域微环境工程化调控的转变，为器件级实际应用环境中实现高效电催化过程提供了新路径。
图2 a，从头算分子动力学（AIMD）模拟的界面结构；b 原位红外测试；c，球差矫正元素分布图与对应区域单原子快照；d，XAS精谱R空间结构图；f，质子交换膜燃料电池极化曲线与稳定性图。
两项研究均面向传统单原子催化剂活性受限、中间体溶剂化效应突出、活性与稳定性难以兼顾的共性难题展开研究，从配位微环境、局域界面及电子结构层面进行深层次调控，并结合理论计算和器件实测验证机理与性能，有效解决了单原子催化剂高活性与长稳定性难以平衡的关键问题，为燃料电池高性能阴极材料设计提供了全新思路。
项目支持：
相关工作得到了国家自然科学基金委员会，深圳市高水平团队项目，深圳市科技计划项目，广东省基础与应用基础研究基金，山东省重点研发计划，黑龙江头雁团队项目，中央高校基本科研业务费等项目的资助。
论文链接：
//doi.org/10.1002/anie.6494121
//doi.org/10.1002/adma.202523627
