东南大学孙正明教授课题组 AM：原子级调控的Fe-Dy双原子位点用于双功能氧电催化

东南大学能源与环境材料课题组

东南大学孙正明教授课题组 AM：原子级调控的Fe-Dy双原子位点用于双功能氧电催化

【文章信息】

   原子级调控的具有3d-4f轨道耦合的Fe-Dy双原子位点用于双功能氧电催化

   通讯作者：孙正明，何炜

   单位：东南大学

【研究背景】

      可充电锌-空气电池因其高理论能量密度、成本低廉和环境友好等优势，被视为最具前景的下一代储能技术之一。然而，其空气正极涉及的氧还原反应与氧析出反应动力学迟缓、过电位高，严重制约了电池的实际性能。尽管贵金属催化剂展现出优异的活性，但其高成本、稳定性差且缺乏双功能活性，难以满足实际应用需求。铁基单原子催化剂虽在ORR领域表现突出，但其典型的Fe-N₄配位结构对含氧中间体（OOH、O和*OH）存在过强吸附，加之这些中间体吸附能之间固有的比例关系，导致其双功能催化性能难以协同优化。因此，如何精准调控Fe中心的电子结构以平衡含氧中间体的吸附行为，成为突破铁基单原子催化剂性能瓶颈的关键科学问题。

【文章简介】

      近日，东南大学孙正明教授团队在国际知名期刊Advanced Materials期刊发表题为“Atomically Tailored Fe-Dy Dual-Atom Sites With 3d-4f Orbital Coupling for Enhanced Bifunctional Oxygen Electrocatalysis”的研究论文。本研究提出了一种创新的原子尺度调控策略，通过引入稀土元素镝与铁构建Fe-Dy双原子催化剂，利用Fe-3d与Dy-4f轨道之间的强耦合作用精准调控了Fe中心的电子结构。Fe-3d与Dy-4f间的轨道耦合有效削弱了Fe位点对含氧中间体的过强吸附，同时*O中间体在双原子位点上的独特共吸附构型促进了O-O键的形成，显著降低了ORR和OER的能垒。所制备的FeDy-DAC具有优异的双功能催化性能，ORR半波电位高达0.90 V，ORR/OER电位差仅0.68 V，组装的可充电锌-空气电池实现了超过2500小时的超长循环稳定性。

【本文要点】

要点一：Fe-Dy双原子位点的首次构建

      首次尝试将稀土元素Dy引入Fe-SAC体系，成功构建了原子级分散的Fe–Dy双原子催化剂。球差电镜表征与同步辐射配位环境分析结果共同证实了Fe–Dy双原子位点的形成。

图1. FeDy-DAC的合成策略及微观结构

图2. FeDy-DAC中Fe和Dy的局域配位环境分析

要点二：Fe和Dy的3d-4f轨道耦合有效调控Fe位点电子结构

      借助理论计算进一步揭示，Dy-4f与Fe-3d轨道耦合可精确调控Fe位点的电子结构，从而有效削弱其对含氧中间体的过强吸附。同时，*O中间体在双原子位点上形成独特的共吸附构型，促进了O–O键的生成。因此，FeDy-DAC上含氧中间体吸附行为的系统优化显著提升了其双功能催化性能，ORR半波电位高达0.90V，ORR/OER电位差仅为0.68V。

图3. FeDy-DAC的双功能氧催化性能

图4. 理论计算分析

要点三：优异的锌-空气电池性能

       基于FeDy-DAC的锌–空气电池表现出较高的开路电压和优异的倍率性能，峰值功率密度达到231.8mW cm⁻²。此外，在10 mA cm⁻²的电流密度下可稳定循环超过2500小时，充分证明了 FeDy-DAC 催化剂卓越的双功能催化活性与长期稳定性。

【文章信息】

J. Qiao, Y. You, W. Feng, et al. “ Atomically Tailored Fe-Dy Dual-Atom Sites With 3d-4f Orbital  Coupling for Enhanced Bifunctional Oxygen Electrocatalysis.” Advanced Materials (2026): e20359.

论文链接： 

https://doi.org/10.1002/adma.202520359

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