研究内容：

在本研究中，Fe-Cu双原子纳米团簇(Fe-Cu DA-NCs)的尺寸为0。利用单宁酸(TA)与金属离子(Cu²⁺和Fe³⁺)之间的强螯合作用，以及金属离子与聚苯胺(PANI)链上亚胺基的掺杂作用，成功制备了负载在5 _~ 2.5 nm多孔碳(Fe-Cu DA-NC/C)上的化合物。详细分析表明，Fe-Cu DA-NCs由纵向的N₂-Fe-O-Fe-N₂单元和纵向的N₃-Cu-S-Fe-S-Cu-N₃单元组成，据我们所知，这是一种新型的氧还原反应(ORR)活性位点。制备的Fe-Cu DA-NC/C催化剂团簇尺寸为0.5 _~ 2.5 nm，具有双金属活性，为中间体的吸附和解吸提供了良好的界面微环境，从而提高了催化剂的电催化性能。因此，与商业化的Pt/C催化剂(E_1/2=0.89 V)相比，制备的Fe-Cu DA-NC/C催化剂具有更高的半波电位(E_1/2=0.951 V)、更大的动力学限制电流密度(0.9 V时38.5 mA cm^-2)和更好的在碱性介质中的长期稳定性，制备的Zn-air电池也表现出了优异的性能和极高的稳定性。

要点一：

作者成功制备了以Fe-Cu DA-NC为活性位点的Fe-Cu DA-NC/C催化剂，由于该催化剂具有独特的双金属活性位点(N₂-Fe-O-Fe-N₂单元和N₃-Cu-S-Fe-S-Cu-N₃单元)，制备的Fe-Cu DA-NC/C催化剂能够在对反应物的吸附能力和对产物的解吸能力之间取得平衡。因此，与工业Pt/C催化剂相比，制备的Fe-Cu DA-NC/C催化剂具有更好的ORR性能(E_onset=1.10 V, E_1/2= 0.951 V)、优异的稳定性和在碱性条件下的抗甲醇能力。

要点二：

制备的Fe-Cu DA-NC/C催化剂作为空气电极在ZABs中具有更高的功率密度(276.9 mA cm^-2下的166.9 mW cm^-2)、更高的比容量(796.2 mA h ^-1)和极高的稳定性，优于目前市场上最先进的Pt/C催化剂。该研究为制备高性能的碳负载双金属双原子纳米团簇(BM-DA-NCs)开辟了一条新的途径，用于能源转换和存储应用。

Fe-Cu DA-NC/C催化剂的制备方法示意图。 

图1：低(A) 、高倍(B和D) 和高分辨率的TEM图(C) ，Fe-Cu DA-NC/C催化剂的HAADF-STEM图(E) 及其尺寸分布直方图(F) ，以及单个Fe-Cu DA-NC的HAADF-STEM-EDS mapping图(G) 。

图2：Fe-SA-NC/C催化剂(黑色曲线)、Cu-SA-NC/C催化剂(红色曲线)和Fe-Cu DA-NC/C催化剂(蓝色曲线)的XRD谱图和拉曼光谱图(A) 。(C) Fe-Cu DA-NC/C催化剂的N₂吸附-脱附等温线和(D) 孔径分布。

图3：Fe-Cu DA-NC/C催化剂(A) N 1s，(B) S 2p，(C) Fe 2p和(D) Cu 2p的高分辨率XPS光谱。

图4：(A) Fe k-edge 的XANES光谱，(B) Fe-Cu DA-NC/C催化剂中Fe原子k³加权傅里叶变换EXAFS数据，参考FePc, Fe₂O₃和Fe箔。(C) Cu k-edge的XANES光谱，(D) Fe-Cu DA-NC/C催化剂中Cu原子的k³加权傅里叶变换EXAFS数据，参考CuPc, CuO和铜箔。(E) 对Fe-Cu DANC/C、Fe箔、Fe₂O₃和FePc的k³加权EXAFS信号进行小波变换。(F) 对Fe-Cu DA-NC/C、Cu箔、CuO和CuPc的k³加权EXAFS信号进行小波变换。(G) Fe-Cu DA-NC/C催化剂中Fe和Cu周围局部原子构型的示意图模型。

图5： Fe-SA-NC/C催化剂(a) 、Cu-SA-NC/C催化剂(b) 、Fe-Cu DA-NC/C催化剂(c) 和商业Pt/C催化剂(d) 在0.1 M O₂饱和KOH溶液中的CV曲线(A) 、LSV曲线(B) 和Fe-Cu DA-NC/C催化剂在不同转速下的LSV曲线(C) 。(D) Fe-Cu DA-NC/C催化剂在不同电位下的K-L图。(E) Fe-SA-NC/C催化剂(a) 、Cu-SA-NC/C催化剂(b) 、Fe-Cu DA-NC/C催化剂(c) 和商业Pt/C催化剂(d) 的动力学电流密度、(F) Tafel图和(G) 时安曲线。(H) 10000势循环前后Fe-Cu DA-NC/C催化剂的LSV曲线，(I) Fe-Cu DA-NC/C催化剂和商业Pt/C催化剂的甲醇交叉效应测试曲线。

​图6：由商业Pt/C催化剂(a) 、Fe-SA-NC/C催化剂(b) 和Fe-Cu DA-NC/C催化剂(c) 组装的一次Zn-air电池的极化和功率密度曲线(A) 、电流密度为10 mA cm^-2时的比容量(B) 和典型恒流放电曲线(C和D) 。

参考文献

Hong Li, Xinxin Shu, Haolong Xi, Zhengxing Lv, He Tian, Jintao Zhang, Haibing Xia. Bimetallic Diatomic Nanoclusters with Longitudinal Fe-O-Fe Units and Latitudinal Cu-S-Fe-S-Cu Units as Efficient ORR Active Sites. Journal of Materials Chemistry A.2022. DOI: 10.1039/d2ta04368h