燃料電池和金屬空氣電池等能源儲存和轉換裝置的發展都迫切需要開發高效、耐久的氧還原反應 (ORR) 電催化劑。

目前，兩個或兩個以上 Fe 原子形成的納米團簇（尺寸< 3 nm）催化劑相比于 Fe 單原子 (Fe SACs) 和 Fe 納米顆粒 (Fe NPs) 催化劑，能夠表現出更加優異的 ORR 催化活性。

但是，根據 Sabatier 原理，Fe 基催化劑處于火山圖左側，有很強的表面結合能力，不利于反應產物的脫附。相反，Cu 基催化劑處于火山圖右側，對反應物的吸附能力很弱，不利于 O–O 鍵的斷裂。

因此，Fe–Cu 雙位點納米團簇 (Fe–Cu DA-NC) 催化劑有望平衡反應物的吸附速率和產物的脫附速率，從而能實現高效、耐久的 ORR 電催化劑。

此外，當金屬催化劑中引入其他雜原子（如 S、O、P 等），可以進一步改變中心金屬原子的電子結構，從而提高其電催化活性。例如，在本課題組之前發表的工作中，軸向 O 原子作為電子結構修飾劑引入到鐵單原子納米團簇 (Fe-single atomic-nanoclusters, Fe-SA-NCs,?J. Mater. Chem. A, 2020,?8, 17136) 或者鐵鎳合金納米團簇 (Fe-Ni ANCs,?Small, 2021, 202102002) 中，形成具有 N₄–Fe–O₂–Fe–N₄?結構的 Fe–SA–NCs 與 N₄–Fe–O–Ni–N₄?結構的 Fe–Ni ANCs，它們都表現出了更優異的電催化性能。

山東大學的夏海兵教授、張進濤教授、浙江大學的田鶴教授和上海同步輻射光源的呂政星研究員等合作制備并表征了由 Fe、Cu 原子組成的、尺寸大約在 0.5~2.5 nm 左右的 Fe–Cu 雙位點納米團簇 (Fe–Cu DA-NCs)，由此把單金屬原子-納米簇的概念拓展到雙金屬原子-納米團簇?(Fe-Cu DA-NCs)。

根據球差電鏡和同步輻射測試結果，活性位點 Fe–Cu DA-NCs 是由縱向的 N₂–Fe–O–Fe–N₂?單元和橫向的 N₃–Cu–S–Fe–S–Cu–N₃?單元組成。這類具有橋接結構 (bridging structure) 的雙位點過渡金屬納米團簇催化劑不僅擁有合適的表面結合能來平衡反應物的吸附和反應產物的解析，而且還能使催化活性和穩定性達到一個平衡狀態，從而能成為具有高效、耐久的 ORR 電催化劑。

該成果以「Bimetallic diatomic nanoclusters with longitudinal Fe–O–Fe units and latitudinal Cu–S–Fe–S–Cu units as efficient ORR active sites」為題，發表于?Journal of Materials Chemistry A，并入選為熱門文章 (HOT paper)。

論文的第一作者為夏海兵教授課題組的李紅博士；通訊作者為山東大學的夏海兵教授、張進濤教授、浙江大學的田鶴教授和上海同步輻射光源的呂政星研究員。

亮點一：借助 3D 聚苯胺（PANI）水凝膠網絡格子的限域效應，成功制備了尺寸大約在 0.5~2.5 nm 左右的 Fe-Cu 雙位點納米團簇（Fe-Cu DA-NCs）負載的碳催化劑；

亮點二：借助TA與不同金屬離子的不同絡合作用，在 Fe-Cu DA-NCs 中成功引入了軸向 O 與 S 原子，形成了縱向的 N₂-Fe-O-Fe-N₂?單元和橫向的 N₃-Cu-S-Fe-S-Cu-N₃?單元；

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亮點三：得到的 Fe–Cu DA-NCs 催化劑表現出了優異的 ORR 催化活性，半波電位（E_1/2）為 0.951 V（遠高于商業 Pt/C，E_1/2=0.89 V），并具有很好的耐久性。

• Bimetallic diatomic nanoclusters with longitudinal Fe–O–Fe units and latitudinal Cu–S–Fe–S–Cu units as efficient ORR active sites
  Hong Li (李紅, 山東大學), Xinxin Shu, Haolong Xi, Zhengxing Lv*(呂政星, 上海光源), He Tian* (田鶴, 浙江大學), Jintao Zhang*?(張進濤,?山東大學), Haibing Xia* (夏海兵, 山東大學)
  J. Mater. Chem. A, 2022,?10, 14828-14837
  https://doi.org/10.1039/D2TA04368H