近日，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院萬(wàn)穎教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials上發(fā)表題為“eg Electron Occupancy as a Descriptor for Designing Iron Single-Atom Electrocatalysts”的研究論文，首次提出以鐵單原子的eg軌道電子占據(jù)數(shù)為關(guān)鍵描述符，指導(dǎo)高效氧還原反應(yīng)（ORR）電催化劑的設(shè)計(jì)。此項(xiàng)研究突破了傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”設(shè)計(jì)瓶頸，建立了電子占據(jù)數(shù)-載體配位-催化性能的定量關(guān)聯(lián)模型，為單原子催化劑的理性設(shè)計(jì)提供普適性框架。上海師范大學(xué)為第一署名單位，裴春、姚國(guó)華副教授、趙紫光為論文共同第一作者，上海師范大學(xué)萬(wàn)穎教授、華東理工大學(xué)孫雅飛為論文共同通訊作者。

研究表明，鐵活性位點(diǎn)的eg電子占據(jù)數(shù)對(duì)Fe-N-C催化劑的反應(yīng)活性具有決定性作用。通過(guò)調(diào)控氮/氧配位結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，制備了一系列有序介孔碳負(fù)載的鐵單原子催化劑（Fe-N/O(n)/OMC，n代表Fe-N/O配位數(shù)），并利用鐵K邊和L邊X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜（XANES）表征了eg電子占據(jù)數(shù)，發(fā)現(xiàn)可作為Fe-N-C催化劑的有效活性描述符。當(dāng)eg電子占據(jù)數(shù)為0.7時(shí)（Fe-N/O(5.2)/OMC），催化劑通過(guò)削弱氧中間體的強(qiáng)吸附作用，將速率決定步驟（RDS）從*OH脫附轉(zhuǎn)變?yōu)?OOH形成。該催化劑的轉(zhuǎn)換頻率（TOF）達(dá)到Fe-N/O(4.2)/OMC（eg占據(jù)數(shù)1.7）的28倍，半波電位從0.84 V（vs. RHE）提升至0.94 V，質(zhì)量活性為商業(yè)Pt/C的6.3倍。這一研究發(fā)現(xiàn)為通過(guò)雜原子配位或異質(zhì)金屬位點(diǎn)等策略設(shè)計(jì)新型鐵活性中心提供了重要指導(dǎo)。

該工作通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控Fe-N3O2位點(diǎn)的局部電子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在0.1 M KOH中半波電位達(dá)0.91 V vs. RHE，超越商用Pt/C催化劑（0.86 V），在鋅-空氣電池中展現(xiàn)出優(yōu)異性能功率密度達(dá)280 mW cm?2，循環(huán)壽命超過(guò)800小時(shí)，為燃料電池和金屬-空氣電池提供高性能、低成本替代方案。該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市教委的資金支持。

（供稿、圖片：化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院）