在可持续能源转换的锌空气电池中，商业Pt/C作为氧还原反应（ORR）催化剂存在周转频率低、甲醇耐受性差和资源稀缺等问题。这些问题限制了其在大规模应用中的潜力，因此，开发高效的非贵金属催化剂显得尤为迫切。单原子催化剂（SACs），尤其是原子级双金属催化剂（ABCs），因其优异的活性和选择性而成为研究的热点。然而，传统的SACs制备方法通常涉及能耗高的长期管式炉热解过程，这不仅成本高昂，还可能导致金属原子聚集，降低原子利用率和催化性能。因此，开发一种节能且高效的SACs制备技术对于推动锌空气电池技术的发展至关重要。
2024年11月23日，云南大学郭洪教授、陈安然副教授等在期刊Energy Storage Materials发表了题为“Using CrN4 Moiety to Weaken the Dissociation Barrier of Hydroxyl on Adjacent Single Iron Atom forEfficient Oxygen Reduction”的研究论文。本研究提出了一种新型的Cr=N2=Fe原子簇（ABCs）电催化剂，通过引入具有低芬顿效应和羟基（OH）吸附能的CrN4基团，显著扰动了整个材料系统的价带结构，并加速了铁位点上的OH解离。这种原子级分散的Cr=N2=Fe电催化剂是通过采用超级节能的焦耳加热策略（约10秒）合成的。通过研究制备催化剂的价轨道能级和价电子行为，并结合原位拉曼测试和理论计算，我们确定了金属位点与含氧中间体之间的相互作用主要取决于轨道能级，随后才是涉及电子调制的键序。这一发现为相关电催化领域的未来研究提供了宝贵的洞见。与商业Pt/C相比，Cr=N2=Fe催化剂展现出更高的ORR催化能力，使得组装的锌空气电池能够稳定运行超过300小时，为非贵金属催化剂在能源转换设备中的应用提供了新的可能性。
1. 节能高效制备：使用焦耳加热技术，在 1300°C 和 10 秒内快速制备 Cr=N2=Fe ABCs 催化剂，实现高效节能。
2. 优异的氧还原性能：Cr=N2=Fe ABCs 催化剂展现出优于单金属Fe催化剂、Cr催化剂和商业Pt/C催化剂的氧还原活性，具有更高的比活性和更低的过电位。
3. 降低*OH解离能垒：Cr=N2=Fe ABCs 中 Fe 和 Cr 之间的相互作用有效降低了*OH中间体的解离能垒，从而促进了 ORR 过程中的电子转移和中间体的转化。
4. 优异的稳定性和抗甲醇中毒性能：Cr=N2=Fe ABCs 催化剂展现出优异的稳定性和抗甲醇中毒性能，使其成为锌空气电池等能量转换器件中替代贵金属催化剂的潜在选择。
5. 深入研究电子行为和成键机制：通过理论计算和实验表征，深入研究了 Cr=N2=Fe ABCs 催化剂的电子行为和成键机制，揭示了其优异 ORR 性能的根本原因。
总之，本研究成功制备了一种碳载型的Cr=N2=Fe原子簇（ABCs）催化剂，该催化剂采用先进的节能焦耳加热技术合成。引入具有低芬顿效应和羟基（*OH）吸附能的金属中心，不仅降低了材料系统的内在芬顿反应性，还扰动了整个材料的价带结构，为提高催化活性和稳定性提供了可能。通过详细的价带表征和原位分析，发现所得到的三种催化剂在电解液中展现出不同的动力学机制。性能的提升可以归因于价轨道能级的变化和反键轨道占据情况的改变。实验数据进一步证明，金属位点（给体）与氧物种（受体）之间的相互作用首先取决于轨道能级，其次可以通过键序进一步评估。不考虑轨道能级的键序计算可能会导致对催化机制解释的混淆。这项研究为能源转换设备中高效稳定非贵金属电催化剂的制备和调控提供了积极的启示。
文献信息：Lilian Wang, Li Yang, Xinyu Zhao, Hang Ma, Bohuai Pang, Lingyan Duan, Kun Zeng, Lu Liu, Anran Chen, Hong Guo. Using CrN4 Moiety to Weaken the Dissociation Barrier of Hydroxyl on Adjacent Single Iron Atom for Efficient Oxygen Reduction. Energy Storage Materials, 2024, 103927, ISSN 2405-8297. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103927.
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