磷协同双原子铁位点精准设计实现电催化氧还原反应性能突破

《Journal of Materials Science & Technology》：Precisely designing P-synergized dual-atom Fe sites achieving boosted electrocatalytic oxygen reduction reaction

本文报道了一种通过聚苯乙烯微球模板策略精准构建磷掺杂双核Fe2N5P位点的蜂窝状多孔碳材料（Fe2N5P-HPC），利用双原子中心与磷掺杂的协同效应调控电子结构，有效激活O-O键并促进OH*脱附，使氧还原反应（ORR）半波电位达0.906 V，显著提升锌空气电池性能（功率密度225 mW cm?2，稳定性>500 h），为双原子催化剂（DACs）的电子结构精准调控提供新见解。

　　

Highlight

铁基单原子催化剂（SACs）如Fe-N₄-C虽具有高原子利用率，但其单一活性中心的电子结构限制导致氧还原反应（ORR）中间体吸附能存在线性缩放关系（图1a），制约性能突破。本研究通过引入第二铁中心与磷掺杂，构建Fe₂N₅P双位点，打破传统吸附能限制，实现O-O键高效活化与OH*脱附能垒降低。

Results and discussion

双原子催化剂（DACs）通过相邻金属中心的电子相互作用，诱导活性位点电荷重排，增加费米能级上方电子占据，削弱反键轨道（图1b）。这种电子重构优化了O₂吸附构型，促进OOH*形成，并加速4e^? ORR动力学。蜂窝状多孔碳载体进一步强化传质，使Fe₂N₅P-HPC在0.85 V时动能电流密度（J_k）达40.71 mA cm^?2，半波电位（E_1/2）提升至0.906 V，优于Pt/C基准。

Conclusions

本研究成功制备了具有分级多孔结构的Fe₂N₅P-HPC材料，证实双原子中心与磷掺杂的协同作用可精准调控电子结构，为设计高效ORR催化剂提供了新策略。