氮掺杂石墨烯中FeNi双金属二聚体增强氧还原催化的机制研究：密度泛函理论解析

《ChemPhysChem》：FeNi Dual-Metal Dimer Embedded in Nitrogen-Doped Graphene for Enhanced Oxygen Reduction Catalysis: A Density Functional Theory Study

来自国内的研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了氮掺杂石墨烯负载的单金属(FeN4-G、NiN4-G)与双金属(FeNiN3-G)催化剂在氧还原反应(ORR)中的性能差异。研究发现FeNi双金属协同作用可优化电子转移和中间体稳定，降低速率决定步骤能垒，促进4e-路径选择性，为燃料电池高性能M-N-C电催化剂设计提供了新思路。

　　

这项研究通过密度泛函理论(DFT)揭示了氮掺杂石墨烯中嵌入的FeNi双金属二聚体(FeNiN₃-G)在氧还原反应(ORR)中的卓越催化机制。与单金属催化剂FeN₄-G和NiN₄-G相比，双金属体系展现出独特的电子协同效应：Fe位点过强的中间体吸附会阻碍产物脱附，而Ni位点较弱的相互作用又易导致2e^-副反应路径。

通过精确调控d带中心位置和电荷重分布，FeNiN₃-G实现了"Goldilocks原则"般的完美平衡——既能有效活化O₂分子，又可适时释放反应产物。特别值得注意的是，该催化剂对O=O键的精准切割能力，使4e^-路径选择性显著提升，将理论过电位降低至竞争材料水平以下。

这些发现不仅阐明了双金属活性中心的构效关系，更为设计新一代燃料电池阴极催化剂提供了分子层面的理论指导。这种"金属对"策略可拓展应用于其他涉及多电子转移的能源转化反应，展现出广阔的应用前景。