近日，我院姜艳霞教授和孙世刚院士课题组相关研究成果以“Unveiling Low Temperature Assembly of Dense Fe-N4 Active Sites via Hydrogenation in Advanced Oxygen Reduction Catalysts”为题发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.202404766）。
单原子催化剂因其独特的活性位点和高效的原子利用率，在燃料电池、锂硫电池、污染物降解和高附加值化学品合成等领域展现出显著的应用潜力。铁-氮-碳（Fe-N-C）材料因其在氧还原反应中的卓越电催化性能而受到广泛关注，其性能甚至可与铂族金属催化剂媲美。然而，传统的高温（> 900 oC）热解合成方法面临Fe-Nx活性位点密度受限以及Fe纳米粒子（Fe NPs）烧结的挑战。为减缓高温条件下的烧结，常采取降低Fe载量的方法，致使当制备的Fe-N-C材料中Fe单原子的载量较低（< 2.0 wt%）。前期研究通常采用牺牲模板或限域策略，这虽然能抑制高温处理过程中的Fe NPs烧结，但相关方法操作繁琐，且所制备的Fe单原子载量最高仅为7.0 wt%。
鉴于上述挑战，课题组提出了一种在低温合成Fe-N-C材料的新方法。以FeCl2作为铁源，在H2气氛中，实现了碳载体氧化氮位点上氧原子的移除及FeCl2的脱氯过程，有效地在低至360 °C的温度条件下形成了Fe-N4位点，从而避免了Fe NPs的聚集。通过原位XPS、TPD-MS表征、密度泛函理论计算及分子动力学模拟等揭示了H2在促进Fe-N4形成过程中的作用机制。通过精确调节温度和处理时间，实现控制Fe-N4结构的演变及其位点密度，进而直接调控Fe-N-C材料的催化性能。制备的FeNC-H2-360催化剂展示了出色的Fe分散性（8.3 wt%）以及优异的酸性氧还原反应活性，其半波电位为0.85 V，燃料电池中的峰值功率密度达到1.21 W cm-2。结果表明，所提出的新方法也广泛也适用于多种高性能M-N-C材料（M = Fe, Co, Mn, Ni, Zn, Ru）的合成，实现了较高的单原子负载。课题组提出的新方法为在能源及催化领域的广泛应用的高密度、高活性单原子材料的制备奠定了基础。
该工作是在我院姜艳霞教授、孙世刚教授、重庆大学杨健副教授（原2011协同创新中心访问学者）指导下完成，2021级博士生殷述虎、2019级博士生黎燕荣（已毕业）和重庆大学杨健副教授为共同第一作者，博士生刘佳、杨双莉参与了部分实验，中国科学院高能物理研究所黄换副研究员完成了同步辐射X射线吸收谱的表征。该论文得到了国家自然科学基金（22288102、22172134）、福建省科技计划项目（2022H0002）的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202404766
