王磊教授Angew：原位阴离子交换诱导Fe配位环境转化，精准制备高活性氧还原反应Fe-N4位点

第一作者：Lingbo  ZONG

通讯作者：王磊教授

单位：青岛科技大学

锚定在碳载体上的M-N_x是氧还原反应(ORR)有效活性位点。然而，合理设计具有高暴露活性位点的单原子催化剂（SAC）具有挑战性。深入了解碳载体上单原子的形成过程，对高效、精准制备具有独特微观配位环境的SAC具有重要指导意义。

近日，来自青岛科技大学的王磊教授课题组等人，在国际知名期刊Angewandte Chemie-International Edition上发表题为“Constructing Fe-N4 Sites through Anion Exchange-mediated Transformation of Fe Coordination Environments in Hierarchical Carbon Support for Efficient Oxygen Reduction”的文章。该工作利用原位阴离子置换反应，不仅实现低活性Fe-O₄向高活性Fe-N₄活性中心的可控转变，而且还可以实现一系列具有不同微观配位环境单原子活性中心（Fe-O_xN_4-x）的精准调控。富含中空碳球的层状多孔结构、高活性位密度、高活性中心利用率的Fe-SA/N-HCS表现出优异ORR性能、水系和柔性可充放电锌-空电池性能。该工作为高活性、高稳定性单原子催化剂精准制备提供了重要参考。

之前的研究报道表明：气态金属原子先从FeO_x团簇中溢出，然后以单原子的形式被锚定在氮掺杂的碳缺陷处，最后形成Fe-N₄结构。我们的实验结果表明：金属离子可以直接被氧（O）掺杂的碳缺陷或锚定并形成TM-O₄结构，经过阴离子置换形成高活性的TM-N₄结构。

原位配位阴离子置换反应涉及O原子的脱出以及N原子的插入过程，最终形成的Fe-N₄活性中心能够与反应物充分接触，使得合成的单原子催化剂具有更高的活性中心利用率。氧还原反应（ORR）的半波电位高达0.91 V vs. RHE。制备的单原子电催化剂在水系以及柔性可充放电锌-空电池方面也表现出优异的性能。经过400h的长循环充、放电之后，其充、放电电压差仍保持较小的数值即0.85 V。同时所组装的柔性锌-空气电池也表现出良好的柔韧性和循环稳定性。

Constructing Fe-N4 Sites through Anion Exchange-mediated Transformation of Fe Coordination Environments in Hierarchical Carbon Support for Efficient Oxygen Reduction

王磊教授简介：山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，导师冯守华院士。2008.10年-2010.10年在山东大学材料科学与工程博士后流动站从事博士后工作，导师长江学者陶绪堂教授；2012.11-2013.05于美国The University of Texas at San Antonio, Chemistry of Department做访问学者，合作导师陈邦林教授。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、超分子化学、金属-有机配位聚合物、有机-无机杂化材料等方面做出了出色的工作，先后合成出来首例微孔亚磷酸铍和首例具有三棱镜结构的高稳定金属有机钠盐。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Energy Stor. Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci.，Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A., Science. China. Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文300余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共四项。