日前，郑州大学材料科学与工程学院张佳楠教授课题组在原子级非贵金属催化剂方面取得新进展。相关成果以“Regulating Fe-Spin State by Atomically Dispersed Mn-N in Fe-N-C Catalysts with High Oxygen Reduction Activity”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上，论文第一作者为材料科学与工程学院硕士研究生杨鸽鸽，通讯作者为材料科学与工程学院张佳楠教授和武汉理工大学木士春教授，郑州大学为第一通讯单位。
近年来，随着化石燃料资源的日益枯竭，氢燃料电池和金属空气电池等可再生能源转换设备受到重视。氧还原反应（ORR）作为这些可再生能源转换设备的核心反应之一也受到了广泛关注。研发出高效、稳定、低成本的氧还原电催化剂在实际应用方面具有重要意义。目前最有效的氧还原催化剂是铂基贵金属材料，但其较高的成本和极低的自然丰度极大地阻碍了氢燃料电池的商业化应用。因此，发展非贵金属氧还原电催化剂就迫在眉睫。非贵金属材料中原子级分散的金属-氮-碳催化剂在低成本、原子利用率高、化学性质活跃、电子结构可调等方面备受关注。近年来，Fe-N-C类型的催化剂在氢燃料电池应用的氧还原反应中大放异彩，尽管性能有了进一步提高，但其真正机理仍存在争议。针对这些问题，张佳楠教授课题组通过固相高温热解法合理设计并合成出了双金属原子分散的Fe，Mn/NC催化剂。电催化测试表明在酸性和碱性介质中均具有优异的氧还原性能。该工作从电子自旋角度对催化机理进行解释，为Fe-N-C活性位上的氧还原过程带来了新的见解，对金属-氮-碳在燃料电池应用方面做出了重大贡献，无疑引领了对高效低成本非贵金属催化剂的探索。
该研究得到了国家自然科学基金、河南省高层次人才、河南省教育厅创新人才，郑州大学青年科技创新专项基金等的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-21919-5
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21919-5