近日，自慰視頻 萬穎教授團隊在《Advanced Materials》發(fā)表題為“e_g Electron Occupancy as a Descriptor for Designing Iron Single-Atom Electrocatalysts”的研究論文，首次提出以鐵單原子的e_g軌道電子占據(jù)數(shù)為關鍵描述符，指導高效氧還原反應（ORR）電催化劑的設計。此項研究突破了傳統(tǒng)“試錯法”設計瓶頸，建立了電子占據(jù)數(shù)-載體配位-催化性能的定量關聯(lián)模型，為單原子催化劑的理性設計提供普適性框架。自慰視頻 為第一署名單位，裴春、姚國華副教授、趙紫光為論文共同第一作者，自慰視頻 萬穎教授、華東理工大學孫雅飛為論文共同通訊作者。

研究表明，鐵活性位點的e_g電子占據(jù)數(shù)對Fe-N-C催化劑的反應活性具有決定性作用。通過調控氮/氧配位結構和電子結構，制備了一系列有序介孔碳負載的鐵單原子催化劑（Fe-N/O(n)/OMC，n代表Fe-N/O配位數(shù)），并利用鐵K邊和L邊X射線吸收近邊結構譜（XANES）表征了e_g電子占據(jù)數(shù)，發(fā)現(xiàn)可作為Fe-N-C催化劑的有效活性描述符。當e_g電子占據(jù)數(shù)為0.7時（Fe-N/O(5.2)/OMC），催化劑通過削弱氧中間體的強吸附作用，將速率決定步驟（RDS）從*OH脫附轉變?yōu)?/span>*OOH形成。該催化劑的轉換頻率（TOF）達到Fe-N/O(4.2)/OMC（e_g占據(jù)數(shù)1.7）的28倍，半波電位從0.84 V（vs. RHE）提升至0.94 V，質量活性為商業(yè)Pt/C的6.3倍。這一研究發(fā)現(xiàn)為通過雜原子配位或異質金屬位點等策略設計新型鐵活性中心提供了重要指導。

該工作通過精準調控FeN₃O₂位點的局部電子結構，實現(xiàn)了在0.1M KOH中半波電位達0.94 V vs. RHE，超越商用Pt/C催化劑(0.86 V)，在鋅-空氣電池中展現(xiàn)出優(yōu)異性能功率密度達196.3 mW cm^-2，循環(huán)壽命超過1500小時，為燃料電池和金屬-空氣電池提供高性能、低成本替代方案。該研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、上海市教委的資金支持。