青岛科技大学王磊等教授Angew观点：微孔硬碳载体激发单原子电催化剂优异性能助力先进空气阴极

第一作者：刘海静，李萍

通讯作者：王磊，Lingbo Zong, Kaicai Fan

单位：青岛科技大学

氧还原反应（ORR）作为燃料电池、金属空气电池等能量转换器件的核心反应，其动力学缓慢特性成为制约技术发展的关键瓶颈。采用氧去极化阴极（ODCs）的氯碱工艺较传统析氢阴极可降低30%能耗，进一步推动该领域研究热潮。当前工业应用仍依赖Pt/Ag基催化剂，但贵金属稀缺性与高成本严重阻碍规模化发展。过渡金属单原子催化剂（SACs）通过M-Nx配位结构锚定孤立金属位点，在ORR中展现出优异本征活性与稳定性，成为替代贵金属的理想选择，但其实际应用仍面临活性位点精准调控与载体微环境优化挑战。

近期研究表明，通过引入O/S/P等杂原子调控单原子（SAs）的第一/第二配位层，可有效调节金属位点电子结构，加速ORR动力学。面内微孔与碳空位设计策略也为活性位点调控提供了新思路。然而，尽管原子尺度调控取得进展，碳基载体微观结构对 ORR性能的调控机制仍不明确。金属有机框架（MOFs）前驱体法构建的错位石墨烯微孔结构被证实是理想载体，理论研究揭示微孔限域环境可通过界面相互作用优化反应中间体吸附行为，但传质效率问题亟待解决。

硬碳材料以超薄褶皱石墨烯纳米片构建的三维多孔结构，为单原子限域负载提供了理想平台。系统研究硬碳载体微纳结构对单原子位点的配位调控机制，揭示亚纳米限域空间中物质传递与界面反应的协同作用规律，将为高性能催化剂理性设计提供理论支撑。未来研究需重点关注载体微环境对活性位点的电子结构调制、传质效率优化及复杂工况下的稳定性提升，推动单原子催化剂从实验室走向工业化应用。

基于此，来自青岛科技大学的王磊和范开才教授团队，在国际知名期刊Angew上发表题为“Microporous Hard Carbon Support Provokes Exceptional Performance of Single Atom Electrocatalysts for Advanced Air Cathodes”的文章。该文章将Fe单原子（SAs）锚定于微孔硬碳（Fe-SAs/MPC）中，微孔结构是由褶皱石墨烯片层结构，为催化反应提供了受限微环境。Fe-SAs/MPC展现出卓越的ORR性能，在实际应用中也具有巨大的潜力。

图1. Fe-SAs/MPC合成示意图及表征。

图 2. DFT 计算

图3.（a）采用Fe-SAs/MPC和Pt/C的去极化氧阴极(ODC)在30% NaOH溶液于25 ℃和80 ℃下的ORR LSV曲线。（b）模拟工业氯碱工艺的双电极流动池示意图。(c) Fe-SAs/MPC‖RuO₂和Pt/C‖RuO₂双电极流动电池在25和80℃下的LSV曲线。(d) Fe-SAs/MPC‖RuO₂流动电池的时间电流响应。(e) Fe-SAs/MPC‖RuO₂的法拉第效率。

通过细菌纤维素前驱体制备的微孔硬碳（Fe-SAs/MPC）具有独特的褶皱石墨烯片层结构，形成亚纳米级受限微环境。这种结构不仅提高了单原子Fe位点的暴露度，还通过微孔内表面与反应中间体的氢键作用显著加速了氧还原反应（ORR）动力学。

要点二：理论机制的突破性揭示

密度泛函理论（DFT）计算首次阐明，ORR反应中间体O*与微孔内表面之间的氢键相互作用大大促进了其质子化并加速了整体ORR动力学。（结合能提升0.633 eV），有效削弱了O*在 FeN₄活性位点的吸附强度，使质子化步骤的能垒降低0.744 eV，从而将反应决速步骤的自由能变化从0.61 eV降至0.52 eV。

要点三：工业级性能的重大突破

在模拟氯碱工业的流动电解槽测试中，Fe-SAs/MPC在80 ℃下达到300 mA cm^-2电流密度仅需1.57 V电压，较Pt/C催化剂降低210 mV。其在水系和准固态锌-空气电池中分别实现1600小时和100小时的超长循环稳定性，充电-放电电压差基本未发生变化。

要点四：前瞻

该研究不仅突破了单原子催化剂在工业强碱性环境中的稳定性瓶颈，更建立了载体微环境与催化性能的定量构效关系，为设计下一代高效电催化剂提供了新范式。其工业级性能数据（在氯碱电解槽中，在80 ℃下达到300 mA cm^-2电流密度，所需电压降低 210 mV）直接推动了氯碱行业节能技术的革新，具有显著的科学意义和产业价值。

“Microporous Hard Carbon Support Provokes Exceptional Performance of Single Atom Electrocatalysts for Advanced Air Cathodes”

王磊教授简介：2006年博士毕业于吉林大学，导师：冯守华院士；毕业后进入青岛科技大学担任讲师，2007年升任副教授；2008-2010年在山东大学从事博士后工作；2012-2013年以访问学者身份赴美国德克萨斯州立大学圣安东尼奥分校学习；2014年升任青岛科技大学教授。

王磊教授长期从事绿色能源相关领域研究，在能源储存与转换材料、光电催化剂的宏量制备、无机微波固相合成、海水资源化利用等方面做了大量的工作。以第一/通讯作者在Nat. Commun.，Energy Environ.Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano，ACS Cent. Sci.，Nano Lett.，Nano Energy，Energy Storage Mater.等国际知名期刊上发表SCI论文400余篇，他引18000余次，30篇论文入选ESI高被引。授权发明专利66项。