近日，東北大學冶金學院李犁教授團隊在電催化氧還原反應（orr）催化劑材料研究方面取得重要進展。該團隊提出了一種具有自旋極化半金屬電子結構的雙原子催化劑，通過將zn與fe配對形成fe/zn-n-c雙原子活性中心，以保持活性中心的耐久性和高反應活性。相關研究成果以“a durable half-metallic diatomic catalyst for efficient oxygenreduction”為題，發表在國際著名期刊energy & environmental science上。該研究成果以東北大學冶金學院為第一完成單位，博士研究生李宏觀為第一作者，李犁教授為通訊作者。東北大學分析測試中心為本文數據采集、表征工作提供重要支撐。

據悉，單原子金屬-氮-碳材料在氧還原反應（orr）中表現出巨大的催化潛力，但開發具有高活性的耐用催化劑仍然是一個巨大的挑戰。李犁教授團隊首先通過理論計算以質子化能壘為依據，篩選了fe與第四周期過渡金屬的組合，其中fe-zn雙原子具有最高的質子化能壘。隨后通過使用殼聚糖和復合金屬源為原料，通過高溫熱解合成了fe/zn-n-c雙原子催化劑，并通過結構表征確定了它們的原子分散位點（圖1）。

圖1材料的篩選和微觀結構形貌表征

團隊通過理論計算進一步研究了氧還原關鍵物種的吸附以確定活性機理。計算發現，fe-n-c對*oh表現為強吸附（δg*oh=0.44 ev），限制了反應活性。隨著zn的引入，fe/zn-n-c的δg*oh值提高（0.82 ev），過電位降低。在fe-n-c模型中，在fe位點轉移的電荷數為2.81 ev，而在引入zn后該值降至1.43 ev，更加有利于中間體的吸/脫附。zn的引入可調節fe的自旋極化程度，誘導產生自旋極化的巡游電子，fe 3d軌道變寬，形成半金屬電子結構。促進順磁態o2分子吸附及催化劑和中間體的電荷轉移。同時，質子化過程中zn-n鍵的犧牲保護了fen4氧還原催化活性中心，使其具有良好的結構穩定性，從而提升了催化劑的耐久性（圖2）。

圖2氧還原反應活性和穩定性機理研究

李犁教授團隊隨后發現fe/zn-n-c獨特的半金屬電子結構使催化劑在0.1 m koh和0.1 m hclo4中均表現出優異的電催化活性，其中半波電位分別為0.906 v和0.808 v，超過了pt/c以及大多數最先進的電催化劑。此外，該材料還表現出在實際應用中苛刻酸性條件下的高長期耐久性，5000次電位循環后僅有12 mv的電位損耗（圖3）。本工作為通過電子結構調節實現orr催化劑的高穩定性和高活性提供了一種策略，為設計高性能的能源電催化劑提供了新的思路。

圖3氧還原反應活性和穩定性電化學測試