氢燃料电池作为一种清洁高效的能源转换技术，被视为未来能源结构转型的关键一环。然而，其核心反应——氧还原反应（ORR）的缓慢动力学，严重依赖昂贵的铂基催化剂，成为制约燃料电池大规模商业化的主要瓶颈。近年来，铁-氮-碳（Fe-N-C）单原子催化剂因其高原子利用率和潜在的高活性，被视为最有希望替代铂的候选者之一。但如何精确调控其活性中心的电子结构，尤其是在苛刻的酸性环境中实现高性能，仍是一个巨大挑战。
近日，厦门大学孙世刚院士、姜艳霞教授、黄蕊博士团队在Angewandte Chemie International Edition 期刊上发表研究成果，他们创新性地设计了一种磷桥连的铁单原子/原子簇复合催化剂，并首次揭示磷桥不仅作为电子通道，更扮演着“自旋触发器”的关键角色，成功诱导铁活性中心发生可控的自旋态转变，从而大幅提升了催化剂的氧还原性能。该工作由孙世刚教授、姜艳霞教授、黄蕊博士共同指导完成，厦门大学博士生王武为论文主要完成人，厦门大学博士后程晓阳在原始实验方案和材料表征方面提供了重要帮助，重庆大学杨健副教授和东北大学李宏观在密度泛函理论计算方面提供了重要帮助。
图1. 催化剂设计理念：独特的FeSA-P-FeAC磷桥连结构不仅作为电子桥，而且作为“自旋触发器”，诱导Fe中心从低自旋态向中自旋态转变。
研究团队通过精心设计的化学气相沉积方法，在磷修饰的氮掺杂碳载体上，构建了同时含有铁单原子和铁原子簇的复合催化剂FeSA/AC/PNC。关键创新在于，他们创造性地利用磷原子作为“桥梁”，将孤立的铁单原子与邻近的铁原子簇连接起来，形成了独特的FeSA-P-FeAC结构。
借助先进的同步辐射X射线吸收谱和穆斯堡尔谱等表征技术分析清晰地表明，磷的引入显著降低了铁中心的配体场强度，从而成功触发了铁活性中心自旋态从低自旋向中自旋的转变。这种自旋态的重构带来了显著的效果。理论计算表明，中自旋态的Fe中心，其特定的电子轨道占据优化了对氧气分子的吸附，同时促进了关键中间体*OH的解离，从而降低了氧还原反应路径上的能垒。实验结果完美印证了这一点：该催化剂在酸性介质中的半波电位高达0.852 V，与商业铂碳催化剂相当；在中性介质中也达到了出色的0.831 V。更令人振奋的是，将其应用于质子交换膜燃料电池的阴极时，在2 bar氢气/氧气条件下，获得了1.35 W cm-2的峰值功率密度，展现了实际应用潜力。研究团队进一步证明，这种“磷触发自旋态调控”策略具有普适性，同样适用于钴和镍3d过渡金属体系，能显著提升其催化活性。这为设计下一代高性能、低成本的非贵金属燃料电池催化剂，乃至其他能量转换材料，提供了新视角。
论文第一作者是王武、程晓阳和李宏观，通讯作者是姜艳霞、黄蕊、杨健和程晓阳。
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A Phosphorus‐Bridged Spin Trigger for Oxygen Reduction
Wu Wang, Xiaoyang Cheng, Hong-Guan Li, Min-Le Li, Long Chen, Jian Yang, Yan-Xia Jiang, Rui Huang, Shi-Gang Sun
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202522880
导师介绍
姜艳霞，厦门大学化学化工学院，教授，博士生导师。近年来研究工作侧重纳米材料、电催化和表面科学的交叉研究，致力于从原子排列结构层次和分子水平研究具有高活性的铂基合金电催化剂对有机小分子氧化和氧还原的反应过程和机理；以及碳基纳米电催化剂的对氧还原的性能，活性位和衰减机制。主持自然科学基金面上项目5项、对外交流与合作项目1项、福建省自然科学基金项目1项；主持国家自然科学基金联合基金项目合作课题1项；主持国家重点研发计划项目子课题1项；作为骨干参与自然科学基金重点项目2项、“973项目”课题2项、国际(地区)合作与交流项目1项。已在包括Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci、ACS Nano、Appl. Catal. B Environ.、Nano Energy、ACS Catal.和Small等期刊上发表SCI收录文110余篇。
黄蕊，博士，厦门大学化学化工学院工程师。2012年博士毕业于厦门大学化学化工学院，2013-2016年在能源材料化学协同创新中心从事博士后研究，2017年-至今为厦门大学化学化工学院工程师。主要研究方向为电化学催化、电化学原位红外光谱、电化学控制合成、电子电镀过程研究等。主持国家自然科学基金青年基金1项、面上项目1项、福建省科技计划引导性项目1项；参与国家自然科学基金联合基金项目合作课题1项；作为参与单位负责人参与科技部国家重点研发计划子课题1项；参与国家自然科学基金重点项目1项、面上项目3项、联合基金项目1项；参与中国科学院学部咨询项目2项。获得国际发明专利授权1项、国家发明专利授权2项；在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、ChemSusChem、J Phys Chem. C、Electrochim. Acta等期刊发表SCI论文20余篇。
孙世刚，中国科学院院士，厦门大学化学化工学院教授，长期从事电化学、表界面科学和能源电化学研究。围绕电化学能源（燃料电池、二次电池）的核心科学问题，建立和发展高灵敏度的红外光谱、质谱、X-光衍射谱、核磁共振波谱等一系列电化学原位/工况谱学分析和成像技术，在分子水平和微观结构层次阐明电化学反应的动态过程和反应机理。获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、中法化学讲座奖、中国电化学贡献奖、中国光谱成就奖、国际电化学学会Brian Conway物理电化学奖章等科技奖项；第四批“全国高校黄大年式教师团队”负责人，获国家级教学成果奖、首届全国教材建设先进个人奖、第四届杰出教学奖、国家级教学名师，全国模范教师、全国优秀科技工作者和全国先进工作者等荣誉。
课题组主页：http://www.sungroup.ac/
https://www.x-mol.com/university/faculty/443884
