氧還原反應(yīng)（ORR）和氧析出反應(yīng)（OER）在各種可再生能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)中至關(guān)重要，包括金屬-空氣電池和燃料電池。然而，由于放電和充電反應(yīng)中的ORR和OER過(guò)程的動(dòng)力學(xué)緩慢，這些可持續(xù)電化學(xué)裝置的實(shí)際效率面臨重大挑戰(zhàn)。因此，開(kāi)發(fā)高效的雙功能電催化劑以同時(shí)加速ORR和OER的動(dòng)力學(xué)是綠色能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)面臨的核心問(wèn)題。目前，貴金屬鉑（Pt）和釕（Ru）是應(yīng)用最為廣泛的ORR和OER電催化劑，然而這類催化劑的高成本是制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。

Fe3原子團(tuán)簇對(duì)Fe–N4的自旋極化調(diào)控及其催化性能

近年來(lái)，金屬-氮-碳（M-N-C）材料因在ORR和OER中分別展現(xiàn)出可比肩貴金屬的催化活性而有望成為Pt和Ru基電催化劑的替代品。但迄今為止，這種以金屬單原子為核心的催化劑由于高原子活性引起的強(qiáng)烈聚集燒結(jié)行為，導(dǎo)致在運(yùn)行穩(wěn)定性和性能指標(biāo)上距離實(shí)際應(yīng)用仍存在較大差距。

針對(duì)上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)物理學(xué)院楊志懋教授和楊生春教授領(lǐng)導(dǎo)的先進(jìn)功能材料與器件物理團(tuán)隊(duì)在前期高熵原子團(tuán)簇調(diào)控Fe-N4中d軌道電子，實(shí)現(xiàn)高活性和持久性氧還原反應(yīng)（Advanced Functional Materials， 2024， 34, 2407775）的工作基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出同質(zhì)金屬原子團(tuán)簇協(xié)同調(diào)控機(jī)制，為突破現(xiàn)有催化劑性能瓶頸提供了全新思路。研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)"空間限域預(yù)約束"合成策略，通過(guò)雙金屬前驅(qū)體的精準(zhǔn)配位成功構(gòu)建氮摻雜碳基體負(fù)載的由Fe團(tuán)簇修飾的Fe-N4單原子復(fù)合體系Fe3/Fe-NC。得益于同質(zhì)金屬原子團(tuán)簇的引入，使得金屬中心與反應(yīng)中間體之間吸附親和力更加平衡，顯著增強(qiáng)了催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和活性。該工作巧妙利用了同質(zhì)金屬團(tuán)簇與單原子位點(diǎn)間的強(qiáng)電子耦合效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)原子尺度上自旋態(tài)工程的精準(zhǔn)調(diào)控，開(kāi)創(chuàng)了金屬協(xié)同催化體系構(gòu)建新范式。為單原子或團(tuán)簇催化劑多尺度活性中心協(xié)同設(shè)計(jì)，自旋相關(guān)催化理論發(fā)展以及非貴金屬催化劑工業(yè)化應(yīng)用提供了重要理論參考和技術(shù)支撐。

相關(guān)成果以《Fe3原子團(tuán)簇對(duì)Fe–N4的自旋極化調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)高活性的氧還原反應(yīng)》（Spin polarization regulation of Fe–N4 by Fe3 atomic clusters for highly active oxygen reduction reaction）為題發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（）上。西安交通大學(xué)物理學(xué)院博士生楊鴿鴿、青年教師蔡海蕊，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院上海同步輻射光源博士生徐子然為共同第一作者，楊生春教授、梁超研究員、王斌教授和上海光源梅炳寶研究員為通訊作者。物理學(xué)院張勝利教授、張楊副教授，新疆大學(xué)季辰辰副教授參與此工作。西安交通大學(xué)物理學(xué)院為第一通訊單位。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和陜西省自然科學(xué)基金的支持以及陜西省基礎(chǔ)科學(xué)研究院項(xiàng)目的支持。西安交通大學(xué)大型儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)中心劉佳、李超和物理學(xué)院分析測(cè)試平臺(tái)張曉晶老師提供了相關(guān)表征和分析支持。上海光源提供了同步輻射測(cè)試和分析支持。