高晓兰|赵雪|李月|邓志平|张志清|曾一民|张浩|李戈
加拿大阿尔伯塔大学机械工程系，埃德蒙顿，阿尔伯塔省
摘要
本文提出了一种简便的策略，通过原子配位工程利用萨巴蒂埃效应（Sabatier effect）来开发用于氧还原反应（ORR）的高性能单原子催化剂（SACs）。通过优化前驱体选择和合成参数，将单个过渡金属原子（Fe、Co、Ni）固定在类似绣球花结构的富氮碳层中（M-SAC/NC）。其中，中等密度的Fe-SAC/NC催化剂表现出优异的ORR活性（E1/2 = 0.94 V）和在碱性介质中的增强稳定性，在10,000次ORR循环后仍表现出色，半波电位几乎没有损失，整个276小时的运行期间效率保持在98.88%。本研究确立了萨巴蒂埃效应的运作原理，并介绍了一种设计高效SACs的通用策略，为开发实用的、非贵金属电化学能源催化剂提供了宝贵的见解。
章节摘录
引言
氧还原反应（ORR）在电化学能量存储和转换过程中起着关键作用，尤其是在燃料电池和金属-空气电池中。基于铂（Pt）的催化剂一直被广泛用于催化阴极上的ORR [1]。然而，基于Pt的催化剂的高成本和天然稀缺性严重限制了它们的实际应用 [1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。为了替代Pt族金属，迫切需要开发替代品。
过渡金属单原子-氮-碳催化剂（TM-SAC/NC）在催化ORR中的机理理解
根据先前的研究，过渡金属单原子-氮-碳催化剂作为ORR的电催化剂显示出潜力 [7]。为了确定最适合ORR活性的过渡金属单原子，通过DFT计算研究了三种不同的过渡金属单原子（即Co、Ni、Fe），使用MN4（M代表金属）作为典型模型结构 [21]。
在碱性介质中，O2分子通过四电子路径与两个H2O分子相互作用
结论
本研究开发了一种通过配位工程合成高性能TM-SAC/NC单原子催化剂的简便方法。该方法能够精确控制原子密度和电子结构，从而优化ORR性能。我们的系统研究表明，原子密度在决定催化活性方面起着关键作用，中等密度配置（3-FeN?-G）通过实现最佳平衡而表现出优异的性能
CRediT作者贡献声明
高晓兰：撰写 – 原稿撰写、方法论、数据整理、概念构建。
赵雪：可视化、软件处理、形式分析。
李月：撰写 – 审稿与编辑、软件处理、可视化、软件处理、形式分析。
邓志平：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件处理、形式分析。
张志清：可视化、软件处理、方法论、形式分析。
曾一民：撰写 – 审稿与编辑、软件处理。
张浩：软件处理、形式分析。
李戈：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理。
利益冲突声明
作者声明本研究过程中不存在任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。
致谢
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）通过Discovery Grant Program（RGPIN-2020-05184）的财政支持。此外，该研究还获得了加拿大First Research Excellence Fund的资助，作为阿尔伯塔大学未来能源系统研究计划的一部分。
