南洋理工/海大/苏大AFM：Fe团簇/纳米粒子协同FeN4位点，显著提升ORR反应活性

氧还原反应(ORR)是许多可再生能量转换和存储设备(包括燃料电池和金属-空气电池)的关键反应。铂族金属基材料被认为最先进的氧还原反应电催化剂。然而，它们的成本高、丰度低和耐久性差等缺点限制了其在该领域的实际应用。因此，探索具有成本效益和高性能的非贵金属ORR电催化剂至关重要，但也具有挑战性。

碳基过渡金属-N单原子催化剂具有原子利用率高、几何结构和电子结构可调、催化活性高、成本低等优点，是一类很有前途的ORR电催化剂。其中，含FeN₄位点的Fe-N-C催化剂是Pt基催化剂研究最广泛和最有前途的替代品。但是，FeN₄位点上含氧中间体(例如，OOH*、O*和OH*)的吸附强度太强或太弱，Fe-N-C催化剂的活性仍不理想。

基于此，南洋理工大学Xuehong Lu、海南大学刘一蒲、苏州大学闫涛和王哲等报告了一种简单的合成策略来构建具有FeN₄位点和共锚定在多孔碳纤维膜上的Fe纳米团簇/纳米颗粒的有效和稳健的ORR催化剂(FeN₄-Fe_NCP@MCF)。FeN₄位点与Fe纳米团簇/纳米粒子的协同作用以及碳载体的高度多孔结构赋予了FeN₄-Fe_NCP@MCF优异的ORR活性和稳定性。

具体而言，FeN₄-Fe_NCP@MCF具有0.893 V_RHE的半波电位(E_1/2)，以及在碱性介质中连续运行超过100小时后电流保留率约为92.8%，优于仅具有FeN₄位点的FeN₄@MCF以及商业Pt/C催化剂。

研究人员利用密度泛函理论(DFT)计算揭示了引入Fe纳米团簇与FeN₄活性位点相互作用的优点。具体而言，Fe团簇诱导FeN₄位点发生电子重新分布，并优化Fe 3d和O p轨道的杂化，促进O₂的活化，增强FeN₄活性位点上*OOH的吸附，从而加速ORR动力学。此外，基于FeN₄-Fe_NCP@MCF的锌-空气电池表现出1.489 V的开路电压(OCV)和208.1 mW cm^-2的大峰值功率密度，并且其能够在10 mA cm^-2的放电电流密度下稳定运行超过200小时。

总的来说，该项工作为合理设计具有单原子和纳米团簇耦合结构的高性能ORR催化剂提供了策略，同时也为大规模开发用于实际储能和转换装置的自支撑阴极提供了参考。

Construction of Fe nanoclusters/nanoparticles to engineer FeN₄ sites on multichannel porous carbon fibers for boosting oxygen reduction reaction. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202315150