2023年3月，材料化工领域国际顶级期刊《Small》发表以我校为第一完成单位、第一通讯单位，化学与环境工程学院王敏杰博士为第一作者的研究成果“Regulating the Coordination Geometry and Oxidation State of Single-Atom Fe Sites for Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis”。化学与环境工程学院王莉副教授等重点参与了该项研究。我校李青彬教授、深圳大学朱才镇教授、中科院赣州创新研究院彭立山副研究员、奥克兰大学新西兰化学院院士、英国皇家化学会会士Geoffrey I. N. Waterhouse教授为该研究成果的通讯作者。

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)与锌空电池(ZABs)具有能量转换效率高、零排放等优点，是解决环境与能源问题，促进经济社会发展绿色转型，实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。阴极催化层氧还原反应(ORR)直接决定了其电堆功率密度输出效率与使用寿命。目前，高成本的贵金属铂基催化剂被公认为驱动该迟滞的四电子反应过程的有效选择。因此，开发高效非贵金属ORR催化剂是PEMFCS与ZABS规模化应用的先决条件。

性能测试图示

研究表明，单原子分散的铁-氮-碳(Fe-N-C)催化剂中Fe原子的局部配位环境显著影响ORR催化活性与稳定性。该研究，通过碳化富含铁的聚吡咯前驱体合成三种不同配位结构FeN₃、FeN₄和FeN₅。非对称FeN₅位点具有比FeN₃(+2.23)和FeN₄(+2.47)位点更高的Fe氧化态(+2.62)，及更高的ORR活性。密度泛函理论(DFT)揭示了FeN₅优化ORR反应中间体的吸附/脱附，显著降低速控步骤脱附能垒。该研究成果为过渡金属-氮-碳(M-N-C)催化剂活性金属原子M的配位结构、氧化态与催化活性之间的构效关系提供了研究实例与指导。该项目获得国家自然科学基金青年基金（NO. 22209087；主持人：王敏杰）项目支持。

本文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202300373

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