单原子催化剂（SACs）在燃料电池和金属空气电池中催化氧还原反应（ORR）受到了越来越多的关注。然而，开发具有高选择性和长期稳定性的SACs是一个巨大的挑战。
基于此，悉尼科技大学汪国秀教授，刘浩副教授，清华大学李亚栋院士，陈晨教授（共同通讯作者）等人通过微环境调节设计合成了含碳空位的Fe-N-C SACs (FeH-N-C)，实现了活性位点的高效利用和电子结构的优化。在可充电锌空气电池中，FeH-N-C具有高功率密度和1200 h的长期稳定性。作者通过DFT计算系统地研究了TM-N-C上ORR的吉布斯自由能变化。OH*中间体的吸附能与电位决定步骤的ΔG之间存在火山关系，其中Fe-N-C位于顶部。局域态密度分析表明，由于Fe-N-C具有特殊的电子结构，反应中间体具有良好的吸附强度，因此Fe-N-C具有最佳的催化活性。本研究进一步考虑了6种可能的碳空位，计算了缺陷Fe-N4在ORR过程中的吉布斯自由能变化。其中Fe-N-C的Site E对ORR中间体的吸附变弱，从而提高了催化活性，具有2个或4个Site E的Fe-N-C上的ORR催化活性会进一步提高。OH*中间体的吸附能与ΔG之间存在线性关系。同时，Site E的碳空位也可以提高Fe-N-C的稳定性。High Durability of Fe-N-C Single Atom Catalysts with Carbon Vacancies Towards Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202210714.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210714.
