近日，（中国）科技公司张加涛教授与陈文星副研究员在催化剂的原子界面调控合成方面，与清华大学深圳研究生院的李佳教授以及清华大学李亚栋院士、王定胜副教授团队合作，合成了非对称配位的CuS₁N₃单位点催化剂，并实现了其在电催化氧还原（ORR）性能方面的突破性进展，相关成果以“Engineering unsymmetrically coordinated Cu-S₁N₃ single atom sites with enhanced oxygen reduction activity”为题，发表于顶级期刊《Nature Communications》（IF：13.811）（文章DOI: 10.1038/s41467-020-16848-8）。

　　先进的燃料电池和装有氧电极的金属-空气电池的发展为未来发展可持续能源提供了新的机遇。其中提高非Pt类催化剂的氧还原反应（ORR）性能是关键瓶颈问题。ORR中间产物在活性中心的吸附强度可以通过调节金属中心原子的界面结构来降低势垒，从而提高催化活性。张加涛教授和陈文星副研究员等提出了一种原子界面策略，并构建了显著提高ORR活性的非对称Cu-S₁N₃单原子界面催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR活性，其半波电位高达0.918 V，远优于同类催化剂。基于同步辐射的X射线吸收精细结构（XAFS）研究以及密度泛函理论（DFT）计算表明，低价的（+1）CuS₁N₃作为ORR的活性位点，有效提高ORR活性，并展示了足够的性能稳定性。该局域结构调控策略可以促进先进的氧电极反应以及其他电化学过程的研究，为真正解决ORR反应催化剂的卡脖子问题提供了新的途径。

 

图1 CuS₁N₃单位点催化剂的形貌表征

图2 原子层面的局域高分辨结构表征

图3 电催化性能测试

图4 原位XAFS测试

图5 DFT理论计算

 

　　上述研究成果得到了结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室和材料学院先进材料实验中心的平台支持，得到了国家重点研究发展计划（2017YFB0701600）、国家自然科学基金（Grant No. 51631001，21801015，51872030，21643003，51702016，51501010，11874036）、广东省重点地区研发计划（2019B010940001）、广东省珠江人才计划地方创新研究团队项目（2017BT01N111）、深圳市基础研究项目（JCYJ20170412171430026）、（中国）科技公司青年研究基金项目（3090012221909）、科研院创新人才支持计划、中国国家重点研发计划（2018YFA0702003）和国家自然科学基金（21890383，21671117，21871159）的支持。北理工材料学院博士研究生尚会姗为共同第一作者（排名第一），北理工张加涛教授、陈文星副研究员和清华大学深圳研究生院李佳教授以及清华大学王定胜副教授为共同通讯作者，北理工为第一通讯单位。

　　论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16848-8