氧還原反應(yīng)(ORR)在可持續(xù)能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)(如金屬空氣電池、燃料電池、氫氧電化學(xué)生產(chǎn)等)中起著關(guān)鍵作用，并且基于金屬-N₄的單原子催化劑是氧還原反應(yīng)(ORR)的有效的催化劑。然而，由于M-N-C催化劑對(duì)氧的吸附較差，催化劑的性能還遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)。

基于此，深圳大學(xué)任祥忠、張雷和西安大略大學(xué)孫學(xué)良等將相鄰的Fe-N₄和Ru-N₄位點(diǎn)錨定到氮摻雜碳骨架中，以調(diào)整ORR中間體在Fe/N/C催化劑中Fe-N₄位點(diǎn)的吸附強(qiáng)度。

具體而言，所制備的FeN₄/RuN₄催化劑在堿性電解液中具有較高的ORR催化活性(E_1/2=0.958 V_RHE，動(dòng)力學(xué)電流密度(J_k)為28.57 mA cm^?2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過FeN₄(0.87 V_RHE)和RuN₄(0.8 V_RHE)。結(jié)合物理表征和理論計(jì)算表明，相鄰原子分散的Ru-N位點(diǎn)可以降低Fe位點(diǎn)的d帶中心，削弱Fe-O的結(jié)合親和力，從而減弱氧中間體(OH*)在FeN₄位點(diǎn)上的吸附，最終提高氧還原活性。

針對(duì)FeN₄/RuN₄對(duì)ORR的優(yōu)異電催化性能，研究人員采用FeN₄/RuN₄催化劑作為鋅-空氣電池(ZAB)的陰極催化劑。

該電池顯示出1.56 V的高穩(wěn)定開路電壓，接近理論值1.65 V；其在電流密度為313.1 mA cm^?2時(shí)提供了219.5 mW cm^?2的峰值功率密度，遠(yuǎn)高于ZAB-Pt/C (208.8 mW cm^?2)。

此外，該ZAB在5 mA cm^?2下循環(huán)2350 h后，充放電電壓間隙基本保持不變，而Pt/C電壓間隙明顯增大(< 750 h)。以上結(jié)果揭示了FeN₄/RuN₄作為水基鋅-空氣電池陰極催化劑的優(yōu)異活性和耐久性。

總的來說，該項(xiàng)研究不僅為調(diào)整單原子催化劑的電子結(jié)構(gòu)提供了新的策略，而且突出了對(duì)雙金屬甚至多金屬原子協(xié)同增強(qiáng)ORR催化行為的基本理解。

Engineering Energy Level of FeN₄ Sites via Dual-Atom Site Construction Toward Efficient Oxygen Reduction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205283