内蒙古大学刘健、赵彦宏、李锋钰教授AFM：构建CeO2/Fe3C异质结构增加Fe位点电子密度实现高效氧还原反应

第一作者：王鹏，许瑶

通讯作者：刘健*，赵彦宏*，李锋钰*

单位：内蒙古大学

随着全球能源需求的不断增长，燃料电池和金属-空气电池作为化学能-电能直接转换的高效系统已经引起了人们的广泛关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）的缓慢动力学和多步电子转移过程阻碍了它们的广泛应用。尽管铂（Pt）被认为是性能最优的ORR催化剂，但其稀缺性和高成本对大规模商业化构成了障碍。因此，迫切需要开发高效、耐用、低成本的非贵金属催化剂，但这仍然是一项艰巨的挑战。Fe₃C纳米颗粒由于其可调节的电子结构和良好的导电性而成为有前途的ORR催化剂。然而，Fe和C原子之间固有的电负性差异使得电子从Fe转移到C，导致Fe的d轨道未填满。这种电子结构导致氧中间体在Fe位点过度吸附，从而降低了催化活性。此外，Fe₃C纳米颗粒的高表面能使其热力学不稳定，导致Fe在ORR过程中溶解。这种现象不仅破坏了活性位点，而且污染了电解质，进一步限制了其实际应用。这些挑战表明需要创新策略来提高Fe₃C基催化剂的活性和稳定性。

近日，内蒙古大学刘健、赵彦宏、李锋钰教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Engineering Active CeO₂/Fe₃C Interfacial Sites to Generate High-Charge-Density Fe for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Efficiency”的研究论文。该研究工作通过构建CeO₂/Fe₃C异质结构，以产生协同界面位点，从而诱导电荷再分配并优化Fe的电子结构。最终赋予了催化剂优异的ORR催化活性和耐久性。

为了克服Fe₃C中Fe活性位点对氧中间体的强吸附，作者将Fe₃C颗粒锚定在CeO₂纳米棒表面，从而形成CeO₂/Fe₃C异质界面。经过CeO₂修饰后，d带中心从Fe₃C中的-1.26 eV向下移动到CeO₂/Fe₃C中的-1.44 eV，减弱了与氧中间体的吸附强度，从而促进了它们的解吸，优化了ORR过程。

CeO₂作为电子供体，在CeO₂/Fe₃C界面处诱导电子重新分布，导致电子在Fe活性位点聚集。这种电子富集减轻了Fe-C键局部电荷不平衡，增强了键强并有效抑制了ORR过程中Fe的溶解。

CeO₂/Fe₃C@N-C表现出高达0.926 V的半波电位以及超过20,000次的循环耐久性，这优于商用Pt/C和大多数报道的Fe₃C基电催化剂。此外，CeO₂/Fe₃C@N-C作为空气正极的锌空气电池表现高达204 mW·cm^-2的功率密度。

刘健教授，英国皇家化学会会士，现任内蒙古大学化学化工学院教授、博士生导师，院长；入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授（2022年）、国家高层次人才引进计划（2017年）、日本学术振兴会特邀研究员（JSPS Invitation Fellow，2013年）、澳大利亚基金委博士后特别研究员资助（Australian Postdoctoral Fellowship，2011年）等。连续七年入选科睿唯安高被引学者（2018-2024年）。长期致力于纳米多孔材料的设计合成及在能源、催化相关领域的基础应用研究，在催化纳米功能材料的设计合成与应用、纳米反应器构筑等方面取得了一系列重要的原创性成果。迄今以第一作者及（共同）通讯作者在包括 Nature Mater.（1篇），Nature Nanotechnol.（1篇），Nature Rev. Chem.（1篇），Nature Synth.（1篇），Nature Commun.（4篇），Angew. Chem. Int. Ed.（16篇），Adv. Mater.（8篇），Natl. Sci. Rev.（2篇）等刊物发表正式论文240余篇，所发表论文被SCI引用超过30000余次，H因子为83。撰写英文书籍10章，发表专著一本。曾获得第14届国际催化大会青年科学家奖（2008年），国际先进材料协会奖章（IAAM Medal, 2021年），中国化工学会基础研究奖二等奖（2021年，R1），中国颗粒学会自然科学二等奖（2024年，R1）等奖项。现任Elsevier旗下杂志《Materials Today Sustainability》主编、《国家科学评论》等期刊编委。

赵彦宏教授，现任内蒙古大学化学化工学院教授，硕士生导师。入选内蒙古自治区新世纪“321人才工程”二层次（2017年）、内蒙古自治区第九批“草原英才”（2019年）、内蒙古自治区首批“英才兴蒙”人才工程（2024年）。长期致力于燃料电池/金属-空气电池电极材料及其电催化性能方面的研究工作，研究成果发表于Adv. Funct. Mater.、Electrochim. Acta等国际期刊。主持完成了多项国家自然科学基金、内蒙古自治区自然科学基金以及内蒙古自治区人才开发基金等项目。于2017年度获得内蒙古自治区自然科学一等奖。