哈工大（深圳）徐成彦&香港城市大学曾晓成Angew：阻碍原子热活化过程合成高性能氮化物团簇偶联单原子氧还原催化剂

第一作者：马飞翔，梁雄毅，刘子豪

通讯作者：曾晓成*，徐成彦*

单位：哈尔滨工业大学（深圳），香港城市大学

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具有Fe-N4活性中心的单原子Fe-N-C催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，在金属空气电池中具有较强的应用潜力。为了进一步提升其内在ORR活性，人们通过引入轴向配位配体和创建双原子位点的策略来调控Fe-N4的电子结构，进而优化ORR过程中与含氧中间体结合强度。然而，很少有使用多核团簇作为配体来优化Fe1-N-C催化剂ORR活性的报道。实际上，偶联团簇和单原子的协同效应不仅通过电子再分配增强了SACs的内在ORR活性，而且优化了活性位点的电子转移。因此，进一步解析团簇/单原子协同效应并发展新的合成策略来制备团簇偶联单原子催化剂意义重大。

高温热活化策略已被广泛用于制备碳负载的单原子催化剂，其中最初在低温下形成的金属氧化物中间体将通过原子热活化的方式被邻近氮原子捕获并配位形成共价键，最终得到单分散的金属单原子催化剂。因此，制备团簇偶联单原子催化剂的关键是抑制金属热原子化过程。基于此，来自哈尔滨工业大学（深圳）徐成彦教授与香港城市大学的曾晓成教授合作，在国际知名期刊Angewandte Chemie上发表题为“Impeding Thermal Atomization Enables Synthesizing Fe2N Cluster Liganded Single Fe-Atom Catalyst for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction”的研究论文，通过抑制原子热活化化过程，实现了高性能氮化物团簇偶联金属单原子ORR催化剂的可控合成。

本工作采用Fe1-N-C作为模型SACs，开发了一种通用的氮化诱导团簇化策略（可扩展至Ni/Co体系），得到了具超高ORR活性的Fe2N团簇偶联Fe1-N-C纳米棒。实验观察和理论计算表明，热力学更稳定的Fe2N中间体的产生会阻碍热原子化过程，最终导致Fe2Nnc配体修饰的Fe1-N-C结构的形成。与具有相同铁含量的Fe1-N-C纳米棒相比，Fe2Nnc/Fe1-N-C纳米棒表现出显著增强的ORR性能，其碱性氧还原活性高达0.957 V vs RHE，是目前Fe-N-C基ORR催化剂的最优值。因此，进一步研究了Fe2Nnc/Fe1-N-C纳米棒作为高性能锌空气电池（ZABs）和阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的阴极催化剂。研究发现，Fe2Nnc/Fe1-N-C纳米棒作为锌空气电池的空气阴极催化剂，充放电间隙仅为~0.658V，循环1000小时性能没有明显衰减。理论计算表明，Fe2Nnc配体的修饰可以改变原子Fe-N4位点的电子结构，降低OH*解吸的能垒，从而提高ORR性能。

Impeding Thermal Atomization Enables Synthesizing Fe2N Cluster Liganded Single Fe-Atom Catalyst for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction

曾晓成教授简介：香港城市大学讲席教授，材料科学及工程学系主任，欧洲科学院化学部外籍院士，美国古根海姆奖获得者，美国物理学会会士，美国科学促进会会士，英国皇家化学会会士，美国材料学会会士。1984年获得北京大学物理系理学学士学位；1983考入 CUSPEA留美项目；1989年获得美国俄亥俄州立大学物理博士；1989年至1993年在美国芝加哥大学及加州大学洛杉矶分校做博士后；1993年任美国内布拉斯加大学林肯分校化学系助理教授；2002年至2016年任美国内布拉斯加大学林肯分校 Willa Cather冠名及大学讲席教授；2016年任美国内布拉斯加大学林肯分校校长冠名大学讲席教授。主要致力于水表面/界面物理化学、纳米受限流体行为、纳米结构表面的润湿/脱润湿现象、水/冰/冰水化合物的热力学和相变、纳米团簇的结构演变、异相催化以及低维材料和钙钛矿的物理性质。曾晓成教授在国际同行评审期刊上发表了700多篇科学论文（其中以（共同）通讯作者发表3篇Nature/Science；15篇Nature子刊/Science Advances；24篇PNAS；60篇JACS；15篇Angewandte）。Google Scholar h指数124，总引用次数超过61,000次；Web of Science h指数109，引用次数超过52,000次。连续6年入选科睿唯安全球高被引科学家学者。

徐成彦教授简介：哈尔滨工业大学（深圳）材料学院教授、博士生导师。1996年考入哈尔滨工业大学，先后获得学士、硕士和博士学位，博士期间在美国北卡罗莱纳大学、佐治亚理工学院进行访问研究；2005年提前留校工作并任讲师，2009年晋升为副教授，2013年破格晋升为教授，2019年到深圳校区工作。目前主要从事二维半导体材料及器件、金属能源材料等领域的研究。主持国家自然科学基金（4项）、深圳市杰出青年基金、深圳市基础研究重点基金（2项）等项目。以通讯/第一作者在Nat. Electron.、Nat. Comm. (4篇)、JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano和Sci. Bull.等国内外期刊发表学术论文140余篇，受邀在Prog. Mater. Sci.等期刊撰写综述，论文总引用>13000次，H因子为65 (Google Scholar)；以第一完成人获黑龙江省自然科学二等奖1项（2021），作为主要完成人获省部级科技奖励2项（2012、2023）。