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氧析出反应（OER）是电解水等可再生能源技术中的关键过程。然而，传统的贵金属基催化剂如钌和铱，不仅成本高、资源有限，而且耐久性差，限制了它们在实际中的应用。最近发展起来的双原子催化剂（DACs）提供了新的设计思路，能够在不增加催化剂用量的情况下提高催化性能。本文设计了一种非对称氮、硫配位的双铁原子位点电催化剂（A-Fe₂S₁N₅/SNC），该催化剂通过独特的非对称双铁原子位点设计，实现了超低的氧析出反应过电位，同时具有优异的稳定性，为高效、低成本的水氧化催化剂提供了新的解决方案。
成果简介
研究团队通过引入氮、硫掺杂的缺陷碳基底，以“缺陷捕获-配位铆接”多层稳定策略，制备了高密度的非对称双铁原子位点催化剂 A-Fe₂S₁N₅/SNC。在碱性电解液中，该催化剂在10 mA/cm²电流密度下的过电位仅为193 mV，显著优于传统钌基催化剂。此外，在长达2000小时的稳定性测试中，催化剂的活性几乎没有衰减，显示出其在实际应用中的耐久性。
研究亮点
创新的双铁原子位点设计：通过非对称氮硫配位的双铁原子位点，实现了更高效的氧中间体吸附，从而提高了OER活性。
超长稳定性：在2000小时的连续OER反应中，催化剂的性能保持稳定，超过了目前大部分同类催化剂的表现。
广泛的工业应用潜力：实验还表明，A-Fe₂S₁N₅/SNC在碱性阴离子交换膜电解器中表现出色，有望推广应用于实际水分解制氢的工业体系中。
配图精析
图1：A-Fe₂S₁N₅/SNC催化剂的制备示意图，展示了通过2-苯并咪唑硫醇和三聚氰胺的两步热解反应，生成高缺陷的氮、硫共掺杂碳纳米片，并在其上锚定双铁原子。
图2：通过电子显微镜（SEM、TEM）观察到的催化剂形貌，以及元素分布图像，表明铁、硫、氮均匀分布在碳基底上，进一步确认了双铁原子的分散状态。
图3：结构分析显示出非对称双铁原子位点的电子态分布及其配位结构，证实了Fe-S和Fe-N键的存在。
图4：OER反应机理分析。
图5：对催化剂在碱性阴离子交换膜水电解系统中的表现进行测试，展示了在500 mA/cm²电流密度下电解器的性能表现，显示出优异的电解水效率和稳定性。
展望
通过独特的非对称双铁原子位点设计，本研究开发的A-Fe₂S₁N₅/SNC电催化剂实现了高效且稳定的水氧化性能，不仅在实验中表现出优越的OER活性和超长的耐久性，还展示出在工业应用中的巨大潜力。未来，该设计策略有望在其他过渡金属双原子催化剂中得到推广，为清洁能源的生产提供新方向。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-53871-5
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53871-5
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