综述：金属-氮-碳催化剂在氧还原反应中的认知

这篇综述系统阐述了非贵金属-氮-碳（M-N-C）催化剂在氧还原反应（ORR）中的研究进展，重点探讨了其催化机制（如MNx 活性位点）、调控策略（配位数优化、碳基材料修饰）及先进表征技术（原位/工况表征），为替代铂（Pt）基催化剂提供了理论指导与实践方向。

　　

氧还原反应（ORR）机制
氧还原反应是质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和金属-空气电池（MABs）的核心过程，其动力学受催化剂表面氧分子吸附/解吸及电子转移速率调控。Sabatier原理指出，氧中间体的吸附能需保持适度平衡——过强导致脱附困难，过弱则无法有效活化O=O键。M-N-C催化剂通过金属（如Fe、Co）的3d轨道与氧物种相互作用，优化反应路径，其中四电子转移路径（直接生成H₂
O）是高效ORR的理想途径。

活性位点鉴定
M-N-C催化剂的活性位点可分为三类：金属纳米颗粒（如Fe纳米簇）、单/双金属原子位点（如FeN₄
）及非金属位点（如氮掺杂碳）。其中，原子级分散的MN_x
位点因高本征活性成为研究焦点。例如，FeN₄
位点通过调控金属中心电子结构，显著降低ORR过电位。

调控策略设计
提升M-N-C性能的三大策略：

1. 本征活性优化：通过改变配位数（如FeN₄
   →FeN₃
   ）或配位壳层（引入S、P等杂原子）调节电子结构；
2. 位点密度增加：采用模板法或热解工艺提高MN_x
   位点负载量；
3. 碳基材料增强：构建多孔碳骨架提升导电性与传质效率。

先进表征技术
原位X射线吸收光谱（XAS）和扫描隧道显微镜（STM）揭示了MN_x
位点的动态结构演变，而工况拉曼光谱则捕获了反应中间体的瞬态信号，为构效关系研究提供原子级证据。

总结与展望
尽管M-N-C催化剂在碱性介质中表现优异，其在酸性条件下的稳定性仍是挑战。未来需结合机器学习辅助设计高熵配位环境，并开发新型原位技术解析界面反应机制。这一领域的发展将加速非贵金属催化剂在能源转换中的实际应用。