内蒙古大学王勤教授Applied Catalysis B: Environmental：配位结构及表面亲疏水微环境协同提升铁单原子电催化性能

【研究背景】

近年来，单原子催化剂（SACs）因具有较高的金属利用率、独特的结构和电子特性成为了研究的热点。由于单原子与其配位的原子之间存在强烈的相互作用，因此SACs的局域配位环境，包括配位数、配位原子种类等都会对单原子催化活性、稳定性产生重要影响。此外，在电催化反应过程中，反应物、中间体和产物均通过界面微环境扩散到催化剂表面或电解液中，催化剂界面微环境结构对其内部反应与传递过程有着极为重要的影响。

【文章简介】

有鉴于此，内蒙古大学武利民教授团队王勤教授课题组与大连化物所张江威研究员合作，开发了一种独特的N、P双配位的Fe基单原子催化剂，该催化剂表现出优异的电催化氧还原反应性能。文章巧妙的通过离子液体的处理，在Fe-N₄结构中引入次级P原子来调节Fe-N₄物种的配位结构和局域电子结构。离子液体的引入不仅可以增强催化剂表面的疏水性，形成离子液体保护层，有效调控催化剂的反应界面微环境，而且可以显著提升催化活性和稳定性。

图1. 催化剂的合成方法及形貌结构。

【本文要点】

要点一：通过杂原子掺杂调节单原子的配位环境，可以有效地提高ORR活性。目前，合成单原子普遍采用的策略是对杂原子掺杂的MOF前驱体进行高温热解。该方法可能影响单原子的形成，且热解温度、金属负载等严重制约了该方法的灵活性和普适性。本研究开发了一种简易的离子液体处理的方法，将Fe-N₄SAC催化剂浸入疏水离子液体中，成功地调节SACs的配位环境，形成Fe-N₂P不饱和配位结构。

图2. 催化剂的配位结构、成键、空位分析。

要点二：离子液体层较高的O₂溶解度有利于驱使 O₂向催化剂活性位点扩散，提高活性位点利用率，从而提升 ORR性能。离子液体相代替水相作为反应介质，能够保护催化剂免受外部氧化或中毒，可有效改善催化剂的稳定性。

图3. 催化剂电催化性能研究。

要点三：密度泛函理论计算结果表明，Fe-N₂P混合配位和N空位的形成使Fe单原子活性位点周围富集更多的电子，有利于OOH*中间体的形成，从而改善催化剂反应动力学。

图4. 催化剂理论计算研究。

【文章链接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322003708

【文章题目】

Atomic-Level Modulation of Local Coordination Environment at Fe Single-Atom Sites for Enhanced Oxygen Reduction

【通讯作者简介】

王勤：内蒙古大学化学化工学院教授，博士生导师，担任学校学术委员会学科建设委员会委员、学部委员、国家自然科学基金通讯评议专家、教育部学位与研究生教育发展中心通讯评议专家以及多个国际重要学术期刊的编委。2010年7月毕业于吉林大学物理化学专业，获理学博士学位，同年来校任教至今。王勤教授作为化学化工学院的学科带头人，结合自治区重大能源需求和学科发展方向，围绕自治区能源化工、稀土及新材料开展特色研究工作，取得了系列重要原创成果。主持各类科研项目10余项，近五年在Nano Letters，Angew. Chem. Int. Ed, Adv. Energy Mater, Appl Catal B-Environ等发表高质量学术论文80多篇，其中多篇被选为封面或热点论文。课题组在稀土及半导体功能纳米催化材料的设计制备、结构调控与性能研究工作获2016年内蒙古自然科学一等奖（排名第三）；入选自治区“草原英才”工程、自治区“新世纪321人才工程”、自治区“草原英才”工程青年创新人才一层次、自治区青年滚球体育 领军人才、内蒙古杰出青年培育基金、内蒙古大学国家杰出青年科学基金培育人选；获内蒙古大学三育人先进个人、国家级创新创业训练计划优秀指导教师、内蒙古大学校长励学奖、内蒙古大学乌可力奖等荣誉称号。

邮箱：qinwang@imu.edu.cn

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/wangqin/