催化剂的表面曲率对其催化性能有决定性的影响，然而由于缺乏合适的样品，负高斯曲率表面对多孔催化剂催化性能的影响仍未被探索。双连续结构的多孔结构可以作为理想的模型，但由于其制备难度极高，因此被称为“管道工噩梦”。
2024年11月21日，上海交通大学麦亦勇教授、徐富贵助理研究员团队在Advanced Materials期刊发表题为“Assessing the Effect of a Schwarz P Surface on the Oxygen Electroreduction Performance of Porous Single-Atom Catalysts”的研究论文，团队成员许志为论文第一作者，徐富贵助理研究员、麦亦勇教授为论文共同通讯作者。
该研究以金属有机骨架为前驱体，以聚合物立方体为模板，合成了具有Schwarz P表面的双连续介孔铁单原子催化剂（bmFeSAC）。bmFeSAC催化剂具有916 m2 g−1的大比表面积和均匀分布的Fe-N4活性位点，Fe含量为1.80 wt.%。连续通道使得Fe-N4催化位点的利用率高，而负高斯曲率表面使得反应能垒低。作为氧还原反应的电催化剂，bmFeSAC具有0.931 V vs. RHE的高半波电位。在碱性电解液中，达到了目前报道的最先进的电催化剂的领先水平。此外，bmFeSAC基锌空气电池表现出优异的性能，显示了bmFeSAC的潜在应用前景。该研究表明，双连续结构的多孔结构可以通过提高催化位点的利用率，更重要的是通过负高斯曲率调节催化剂表面的电子结构来提高催化活性。
DOI：10.1002/adma.202416204
该研究以聚合物立方体（PCs）为模板，金属有机骨架（MOF）为SAC前驱体，制备了双连续结构的多孔碳基SAC。MOF在PC模板内生长，然后对MOF@PC复合材料进行碳化，得到了具有有序单基元（SP）结构（即Schwarz P表面）的新型介孔FeSAC（命名为bmFeSAC）。bmFeSAC样品的平均孔径为32 nm，具有916 m2 g−1的高比表面积（SSA），Fe含量高达1.80 wt.%。以燃料电池运行的关键氧还原反应（ORR）电催化为例，研究了三维连续框架/介孔和负高斯曲率表面对bmFeSAC催化性能的影响。令人印象深刻的是，bmFeSAC在碱性电解质中的半波电位高达0.931 V vs. RHE，高于无双连续结构的对照材料以及大多数已报道的SACs和商用Pt/C催化剂的半波电位。此外，bmFeSAC在锌空气电池中表现出优异的催化性能，显示了其实际应用潜力。电化学探针实验表明，双连续介孔结构可以使反应物和电解质顺利进入bmFeSAC内部，使Fe-N4催化位点的利用率高达81.0%，远高于对照和大多数已报道的SACs的利用率（<41%）。此外，密度泛函理论DFT计算表明，负高斯曲率表面有利于O2分子的吸附和反应中间体（如*OH）的解吸，从而降低ORR的反应自由能。该研究为控制多孔催化剂的孔结构开辟了新的途径，并为理解负高斯曲率表面对催化性能的有利影响提供了理想的模型。
总之，该研究制备了一种具有Schwarz P表面的双连续结构介孔FeSAC （bmFeSAC）。bmFeSAC催化剂具有高度有序的多孔结构，具有较大的比表面积（916 m2 g−1）和密集的Fe单原子分布（1.80 wt.%）。bmFeSAC的催化位点利用率高达81%，是无介孔对照催化剂的约6倍，证实了双连续介孔结构对传质的有利作用。此外，负高斯曲率表面调节了电子结构，降低了反应能垒，从而使bmFeSAC的本征催化活性比对照催化剂提高了约2倍。这些优点使得bmFeSAC具有较高的ORR催化性能，其最高半波电位为0.931 V vs. RHE，具有4电子通路选择性，并且在碱性电解液中循环5000次后仍具有可忽略不计的长循环稳定性。该研究突出了负高斯曲率表面在提高催化性能方面的关键作用，并通过引入负高斯曲率表面的三维连续通道为制备高性能催化剂提供了新指导。
■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
