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双原子催化剂（DAC）在快速发展的原子催化领域开辟了独特模式，因为其在提高各种反应体系的催化性能方面具有巨大潜力，然而提高金属活性中心的负载量并延长其使用寿命是有效利用DACs的一大挑战。
2024年11月1日，郑州大学王景涛教授、尚会姗副研究员团队在Nature Communications期刊发表题为“High-density asymmetric iron dual-atom sites for efficient and stable electrochemical water oxidation”的研究论文，郑州大学Zhang Lili、中国科学院长春应用化学研究所Zhang Ning为论文共同第一作者，尚会姗副研究员、王景涛教授、江苏大学孙中体、北京理工大学陈文星为论文共同通讯作者。
该研究在高缺陷氮掺杂碳纳米片上合理地设计了不对称氮、硫配位的双原子铁中心（表示为A-Fe2S1N5/SNC，A：不对称），它具有N2S1Fe-FeN3分子的原子构型。碳基骨架中丰富的缺陷和低电负性杂原子赋予了A-Fe2S1N5/SNC 6.72wt%高负载。此外，A-Fe2S1N5/SNC在10mA cm-2的析氧反应（OER）中具有193mV的低过电位，优于商用RuO2催化剂。此外，A-Fe2S1N5/SNC还表现出超强的稳定性，在OER过程中可持续超过2000小时，活性保持在97%以上。该研究为同时平衡DAC的活性和稳定性以实现电催化应用提供了一种实用方案。
DOI：10.1038/s41467-024-53871-5
该研究通过涉及缺陷捕获和配位铆接的多层稳定策略设计了一种具有高缺陷的硫、氮共掺杂碳质载体（SNC）来锚定Fe-Fe双原子位点（A-Fe2S1N5/SNC）。综合表征证实，不对称双原子FeS1N2-FeN3分子密集地分散在载体上，金属质量负载高达6.72 wt%。A-Fe2S1N5/SNC催化剂具有很高的OER活性。在碱性电解质中，A-Fe2S1N5/SNC在10 mA cm-2时的过电位很低，仅为193 mV。在恒定电流条件下，A-Fe2S1N5/SNC可催化OER超过2000小时，与其他已报道的原子分散电催化剂相比，具有超强的稳定性。理论计算表明，不对称A-Fe2S1N5/SNC催化剂的铁双原子位点发生了自发电极化，从而增强了OER活性。此外，A-Fe2S1N5/SNC催化的碱性AEMWE（阴离子交换膜水电解槽）表现出良好的性能，表明其具有广泛的实际应用潜力。此外，还制备并研究了其他高金属负载的不对称配位A-M2S1N5/SNC催化剂（M=Co、Ni、Cu和Mn），证明了所开发策略的通用性。
总之，该研究采用了一种通用、可扩展的方法合成了一系列具有高金属负载的A-DAC（A-M2S1N5/SNC）。由于存在不对称的FeS1N2-FeN3分子，A-Fe2S1N5/SNC具有出色的OER催化性能，显示出较高的AEMWE和ZAB潜能。对于OER，A-Fe2S1N5/SNC在碱性条件下10 mA/cm²时的过电位低至193 mV，高于已报道的双原子催化剂和商用RuO2的过电位。此外，A-Fe2S1N5/SNC在10 mA cm-2的条件下可稳定运行2000小时以上，这表明A-Fe2S1N5/SNC电催化剂的耐用性和催化活性可以达到平衡。使用A-Fe2S1N5/SNC催化剂的AEMWE器件在500mA cm-2电流条件下也能保持长达250小时的耐用性，并在2.18V电压条件下显示出工业所需的1.0A cm-2电流密度。对于A-Fe2S1N5/SNC，高活性来自于高密度活性Fe-Fe位点的协同催化，而高稳定性则来自于S配位对金属原子微环境的调节。研究人员的operando表征和DFT计算证实，独特的构型能在Fe-Fe位点上产生最佳的吸附/解吸能，从而减少自由基中间体的反应能垒。研究人员希望这一策略将有助于促进双原子催化剂在通过电解水生产清洁能源中的应用。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
