对于金属空气电池和燃料电池，阴极氧还原反应（ORR）是决定其性能的关键步骤之一。该过程动力学较为缓慢，一般由贵金属Pt/C催化。目前，具有Fe-Nx位点的Fe-N-C单原子催化剂被认为是最具潜力的Pt基催化剂替代物。通过对中心金属配位环境的调控，可以影响ORR过程中间物体的吸脱附，进一步改变催化剂活性。然而，目前大多数活性位点的构建主要基于类石墨烯结构，活性位点形成于碳材料的边缘或缺陷位置，这对于高密度活性位点的形成有一定的局限新，亦会降低催化剂的导电性。

近日，中国科学院化学所黄长水研究员、山东大学吕青副研究员和福建物质结构研究所侯柱锋副研究员合作，提出以石墨炔（GDY）为基底来制备单原子催化剂的策略。将石墨炔骨架中sp-C的碳原子被氮原子取代形成sp-N，从而使Fe原子被锚定在GDY的18C环的三角位置，同时与sp-N和sp-C配位，形成新的催化活性位点，得到的Fe-N-GDY显示出优异的ORR催化性能。

X射线光电子能谱表明，在N1s谱图中，Fe-N-GDY中成功形成了一种特殊的sp-N。通过对X射线吸收精细结构谱进行分析得到，Fe原子分别与C、N和O原子配位。结合GDY独特的结构以及理论计算，证明Fe原子容易被锚定在GDY的18C环的三角位置，同时与sp-N和sp-C配位，如图f中的构型所示。

计算结果表明，sp-N比其他杂化类型的N具有更大的负电荷密度，sp-N的配位和*OH的自发吸附都使得Fe上的电子发生转移，减弱了Fe对ORR过程中含氧基团的吸附，进而提高氧还原性能，FeC₂N₂OH具有最快的*OH解吸过程，表现出优异的ORR性能。

实验和DFT计算也显示，Fe-N-GDY表现出优异的电催化活性，半波电位为0.89 V，起始电位是1.05 V，远高于Pt/C。动力学电流密度（j_k）在0.8 V以上的整个电位范围内都远大于Pt/C，证明其在ORR中具有快速的动力学。此外，Fe-N-GDY可用于锌空电池，组装得到的锌空电池表现出很高的功率密度（249 mW cm^-2）和优异的长期循环稳定性，这主要归因于Fe-N-GDY催化剂活性位点与基底之间的强相互作用。

本工作为合理选择碳基底进而设计新型电子结构的活性位点提供了独特的视角，不仅可以创造高活性的ORR活性位点，而且有望促进其他与能量转换相关的催化剂的制备。