我國學者在負載型單原子電催化劑研究領域取得重要進展

圖.（1）基于結構描述符的單原子通用設計原則；（2）活性中心為Fe-N4單原子電催化劑的制備與活性起源；（3）Fe-N4單原子電催化劑在酸性電解質下的氧氣還原反應催化性能，穩定性，應用于燃料電池的性能。

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：21625601，91634116，91334203，21576008）等資助下, 北京化工大學化學工程學院程道建教授與曹達鵬教授研究團隊近期在負載型單原子電催化劑研究工作中取得重要進展。研究成果以“A Universal Principle for a Rational Design of Single-atom Electrocatalysts”（單原子電催化劑的通用設計準則）和“Unveiling the High Activity Origin of Single Atom Iron Catalysts for Oxygen Reduction Reaction”（揭示單原子鐵催化劑具有高氧還原活性的起源）為題，分別于2018年4月30日、6月11日在Nature Catalysis（《自然-催化》）和Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America （PNAS，《美國科學院院刊》）上發表，論文鏈接分別為：https://www.nature.com/articles/s41929-018-0063-z和http://www.pnas.org /cgi/doi/ 10.1073/pnas.1800771115。

　　負載型單原子催化劑由于具有最高的原子利用率，已成為金屬催化劑領域研究前沿。當前單原子電催化劑的設計仍然依靠能量描述符，需要大量計算且實驗較難驗證。因此，建立關聯負載型單原子催化劑的本征結構（配位數、金屬電負性、配位原子）與催化活性之間的構效關系一直是本領域的重點。在Nature Catalysis一文中，該團隊成功引入定量描述催化劑本征特性的結構描述符，基于結構描述符建立單原子電催化劑通用設計原則，可用簡單方程預測單原子電催化劑的催化活性，據此篩選出性能優異的單原子催化劑，并提出大環分子可以替代功能化石墨烯作為金屬單原子電催化劑載體的新觀點。在PNAS一文中，為制備理論篩選出的高活性催化劑，提出表面活性劑輔助合成策略，成功制備出單原子鐵電催化劑，采用球差電鏡、XPS、同步輻射、Mossbauer譜等技術精細表征催化劑的Fe-N4活性中心，其酸性條件下氧還原活性與商用鉑碳幾乎相當。以此非貴金屬單原子氧還原催化劑組裝的酸性質子膜燃料電池最大功率密度達823 mW/cm2，表現出極佳的應用前景。結合理論計算，首次揭示了單原子鐵催化劑的高催化活性是源自于Fe和吡咯N的配位，這種新穎的結構配位將活化周圍碳原子，導致其活性位點呈數量級增加，闡明了單原子催化劑中少量鐵負載能表現出超高氧還原催化活性的原理，為高效催化劑的設計提供重要科學基礎。