汪乐余：调控单原子配位环境，增强ORR催化活性！

qiulan

研究亮点：

1. 通过Fe‒N4周围C‒N键的选择性断裂，首次实现Fe‒N4边缘活性位点的精确构筑及精细调控。

2. Fe‒N‒C催化剂中Fe的质量分数仅为0.2 wt%，但碱性条件下其半波电位仍能达到E1/2 = 0.915 V。

单原子M‒N‒C（M指非贵金属Fe、Co等）催化剂，以其优异的催化活性和原子经济效益，成为目前能源存储和能量转化的热点材料。然而，原子尺度上的M‒N‒C结构和宏观上催化剂的整体结构都影响催化剂的整体效果，如何实现两者间的协同催化效果以及如何构建结构与性能之间的关系，仍是相关研究的难点。特别的是，金属活性中心周边的配位环境，尤其是活性中心邻近N的配位环境对其性能的影响，一直未引起足够关注。

有鉴于此，北京化工大学汪乐余和陈玥光科研团队通过调控实现了多孔碳骨架负载的原子级分散的Fe‒N4边缘活性位点。

TOC示意图

研究人员通过XPS分析推断吡啶N中C‒N键的倾向性断裂，并以固体核磁和同步辐射等技术追踪了Fe‒N4周边C‒N键选择性断裂的过程，最后通过DFT计算予以佐证。实验结果表明，所得催化剂具有高效的电催化ORR性能，其原子经济效益较现有报道提升了一个数量级，这为低成本、高性能单原子催化剂的设计提供了新思路。

制备方法如图1，在ZIF-8的主体框架中，引入尺寸大于其腔体（11.6 Å）的金属前驱物FePc（14.6 Å），打破了原有微孔的限域效应，促进了边缘活性位点和多级孔结构的产生。在后续的高温热解过程中，单个FePc分子原位形成原子级分散的Fe‒N4边缘活性位点，而FePc分子聚集体产生Fe2O3颗粒，伴随着 Kirkendall效应和后续酸处理过程，碳基质中多级孔结构也更加明显。

总之，该研究得到暴露于C载体缺陷边缘的Fe‒N4活性位点，为高效、稳定的单原子催化剂的合理设计和精确制备提供了可行的方法。

参考文献：

Jiang R, Li L, Sheng T, et al. Edge-Site Engineering of Atomically Dispersed Fe‒N4 by Selective C-N Bond Cleavage for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activities[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018.

DOI: 10.1021/jacs.8b07294

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b07294