​任祥忠/张雷/孙学良Small：Ru-N降低Fe位点的d带中心，提高电催化氧还原性能

氧还原反应(ORR)在可持续能量转换和储存技术(如金属空气电池、燃料电池、氢氧电化学生产等)中起着关键作用，并且基于金属-N₄的单原子催化剂是氧还原反应(ORR)的有效的催化剂。然而，由于M-N-C催化剂对氧的吸附较差，催化剂的性能还远低于理想状态。

基于此，深圳大学任祥忠、张雷和西安大略大学孙学良等将相邻的Fe-N₄和Ru-N₄位点锚定到氮掺杂碳骨架中，以调整ORR中间体在Fe/N/C催化剂中Fe-N₄位点的吸附强度。

具体而言，所制备的FeN₄/RuN₄催化剂在碱性电解液中具有较高的ORR催化活性(E_1/2=0.958 V_RHE，动力学电流密度(J_k)为28.57 mA cm⁻²)，远远超过FeN₄(0.87 V_RHE)和RuN₄(0.8 V_RHE)。结合物理表征和理论计算表明，相邻原子分散的Ru-N位点可以降低Fe位点的d带中心，削弱Fe-O的结合亲和力，从而减弱氧中间体(OH*)在FeN₄位点上的吸附，最终提高氧还原活性。

针对FeN₄/RuN₄对ORR的优异电催化性能，研究人员采用FeN₄/RuN₄催化剂作为锌-空气电池(ZAB)的阴极催化剂。

该电池显示出1.56 V的高稳定开路电压，接近理论值1.65 V；其在电流密度为313.1 mA cm⁻²时提供了219.5 mW cm⁻²的峰值功率密度，远高于ZAB-Pt/C (208.8 mW cm⁻²)。

此外，该ZAB在5 mA cm⁻²下循环2350 h后，充放电电压间隙基本保持不变，而Pt/C电压间隙明显增大(< 750 h)。以上结果揭示了FeN₄/RuN₄作为水基锌-空气电池阴极催化剂的优异活性和耐久性。

总的来说，该项研究不仅为调整单原子催化剂的电子结构提供了新的策略，而且突出了对双金属甚至多金属原子协同增强ORR催化行为的基本理解。

Engineering Energy Level of FeN₄ Sites via Dual-Atom Site Construction Toward Efficient Oxygen Reduction. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205283