在堿性介質中，Fe-N-C催化劑具有優異的氧還原反應(ORR)性能。為了提高Fe-N-C催化劑中Fe單原子位點的固有ORR活性，微調Fe位點的局部配位以優化ORR中間體的結合能勢在必行。近日，中科院理化技術研究所張鐵銳和奧克蘭大學Geoffrey I.N. Waterhouse等成功合成了一種多孔FeN₄-O-NCR電催化劑，其中N摻雜碳納米棒(NCR)上富含FeN₄-O位點(其中Fe單原子與四個平面內氮原子和一個亞表面軸向氧原子配位)。

研究人員首先制備了O，N-共摻雜的碳棒(O-NCR)，然后用微波輔助熱解在其表面錨定Fe-N₄位點，形成了穩定的FeN₄-O-NCR異質結構。所制備的FeN₄-O-NCR具有分層多孔結構、高比表面積(1159 m² g^-1)和豐富的FeN₄-O活性位點，以優化氧的吸附和活化。通過理論密度泛函理論(DFT)計算探討了FeN₄-O-NC的優點，發現對Fe陽離子的d軌道電子結構的精確調控可以降低ORR的熱力學勢壘。

FeN₄-O-NCR催化劑在堿性介質中表現出顯著的ORR活性和穩定性(E_onset=1.050V；E_1/2=0.942V；0.9V時J_k為39.56 mA cm^-2)。使用FeN₄-O-NCR作為陰極催化劑構建的鋅-空氣電池，該電池具有非常高的功率密度(214.2 mW cm^-2)，大大超過了商用Pt/C催化劑(104.2 mW cm^-2)或其他最近報道的單原子催化劑構建的鋅-空氣電池。綜上，軸向配體調控是微調金屬單原子位點以獲得最佳電催化活性的有效策略。

Mesopore-rich Fe-N-C catalyst with FeN₄-O-NC Single Atom Sites Delivers Remarkable Oxygen Reduction Reaction Performance in Alkaline Media. Advanced Materials, 2022. DOI: 10.1002/adma.202202544