催化学报 ›› 2026, Vol. 89: 453-463.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65184-4

• 论文 • 上一篇    下一篇

植入第二壳层对称硫配位调控铁单原子自旋态

饶雪碧a,1, 方慧玲b,1, 孙嘉琳a, 刘立群a, 朱永康a, 陈俊翔b,*(), 张世明a,*(), 刘彬c,d,*()   

  1. a上海大学理学院,可持续能源研究院,上海 200444
    b中国科学院福建物质结构研究所,结构化学国家重点实验室, 福建省氢能材料与技术重点实验室,福建福州 350002
    c香港城市大学材料科学与工程系,香港 999077
    d香港城市大学化学系,香港清洁能源研究院(HKICE)及超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF),香港 999077
  • 收稿日期:2026-02-09 接受日期:2026-04-07 出版日期:2026-10-18 发布日期:2026-09-01
  • 通讯作者: *电子信箱: smzhang@shu.edu.cn (张世明),
    cjxxjc729@fjirsm.ac.cn (陈俊翔),
    bliu48@cityu.edu.hk (刘彬).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22272105);国家自然科学基金(22572118);上海自然科学基金(23ZR1423900);香港城市大学启动基金(9020003);ITF-RTH-全球STEM教授职位(9446006);先进二氧化碳回收利用JC STEM实验室(9228005)

Regulating single-Fe-atom spin-state via implanting second-shell symmetrical sulfur coordination

Xuebi Raoa,1, Huiling Fangb,1, Jialin Suna, Liqun Liua, Yongkang Zhua, Junxiang Chenb,*(), Shiming Zhanga,*(), Bin Liuc,d,*()   

  1. aInstitute for Sustainable Energy, College of Sciences, Shanghai University, Shanghai 200444, China
    bState Key Laboratory of Structural Chemistry, and Fujian Provincial Key Laboratory of Materials and Techniques toward Hydrogen Energy, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, Fuzhou 350002, Fujian, China
    cDepartment of Materials Science and Engineering, City University of Hong Kong, Hong Kong SAR 999077, China
    dDepartment of Chemistry, Hong Kong Institute of Clean Energy (HKICE) & Center of Super-Diamond and Advanced Films (COSDAF), City University of Hong Kong, Hong Kong SAR 999077, China
  • Received:2026-02-09 Accepted:2026-04-07 Online:2026-10-18 Published:2026-09-01
  • Contact: *E-mail:smzhang@shu.edu.cn(S. Zhang),cjxxjc729@fjirsm.ac.cn(J. Chen),bliu48@cityu.edu.hk(B. Liu).
  • About author:

    1 Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22272105);National Natural Science Foundation of China(22572118);Natural Science Foundation of Shanghai(23ZR1423900);City University of Hong Kong startup fund(9020003);ITF-RTH-Global STEM Professorship(9446006);JC STEM lab of Advanced CO2 Upcycling(9228005)

摘要:

随着全球能源需求的持续增长, 开发高效、清洁的能量转换技术具有重要意义. 聚合物电解质膜燃料电池和金属-空气电池因其高能量密度、安全性和环境友好性而备受关注. 然而, 其阴极氧还原反应(ORR)动力学缓慢, 严重制约了实际应用. 尽管铂基催化剂具有优异的ORR性能, 但其高成本和资源稀缺性推动了非贵金属替代材料的发展. 近年来, 具有FeN4活性中心的铁-氮-碳(Fe-N-C)催化剂因成本低廉, 氧还原反应(ORR)动力学性能优异, 是铂基催化剂极具潜力的替代材料. 然而, FeN4位点对氧中间体的过强吸附仍限制了其性能提升. 因此, 如何精确调控FeN4的配位环境, 尤其是通过外围杂原子掺杂调节其电子结构, 并深入阐明其ORR电催化机理, 仍是该领域的关键挑战. 合理设计FeN4配位结构有望有效调控Fe与O之间的3d-2p轨道相互作用, 从而提升单原子铁催化剂的本征催化活性.

针对上述挑战, 本文提出了一种配位工程策略, 在FeN4中心的第二配位壳层中对称地引入两个硫(S)原子, 构建FeN4S2活性中心. 该设计的核心创新在于通过第二壳层杂原子调控Fe中心的电子结构, 并通过自旋态调节优化氧中间体的吸附行为, 从而突破传统FeN4催化剂的活性瓶颈. 球差校正透射电子显微镜和X-射线吸收精细结构结果表明, Fe, N, S共掺杂的碳骨架(Fe-N-S/CF)催化剂的活性中心为FeN4S2结构. 57Fe Mössbauer谱图和零场冷却温度测试进一步揭示, 对称S掺杂有效调控了Fe 3d轨道的电子自旋极化, 使Fe中心从高自旋态转变为中自旋态. 这一自旋态转变源于dz2-p, dxz-pdyz-p轨道之间的协同相互作用, 是提升催化活性的根本原因. 电化学测试显示, 所制备的Fe-N-S/CF催化剂在碱性环境中表现出优异的ORR性能, 其起始电位高达1.048 V (vs. RHE), 半波电位为0.909 V (vs. RHE), 显著优于商业Pt/C催化剂; 在酸性条件下, 其活性亦明显超越以FeN4为中心的Fe-N/CF体系. 此外, 基于FeN4S2空气电极构建的锌-空气电池展现出高达248.2 mW cm-2的峰值功率密度及优异的充放电稳定性, 整体性能全面优于Pt/C对照体系. 密度泛函理论计算结果进一步证实, 对称的第二壳层S配位有效削弱了FeN4中心的自旋极化, 进而优化了氧中间体(*O, *OH, *OOH)的吸附能. 在反应路径上, FeN4的决速步骤为*O → *OH, 具有较高能垒; 而在FeN4S2体系中, 决速步骤转变为*O2 → *OOH, 自由能垒显著降低. 原位拉曼光谱检测到FeN4S2表面*OOH中间体的富集, 与理论计算结果高度一致. 由此可见, 第二壳层S掺杂通过调控Fe自旋态, 有效削弱Fe-O键强度、优化反应路径, 从而显著提升单原子Fe位点的ORR催化活性.

综上, 本工作不仅提出了一种通过第二配位壳层杂原子调控金属中心自旋态的有效策略, 为高效非贵金属ORR催化剂的理性设计提供了新思路, 而且深化了对FeN4基催化剂反应机理的认识. 未来, 可进一步拓展至其他杂原子掺杂或非对称配位结构对自旋态与电子结构的协同调控机制研究, 从而持续推动燃料电池及金属-空气电池等能量转换体系的性能提升与实际应用进程.

关键词: FeN4活性位点, 硫掺杂, 第二配位壳层, 自旋态, 氧还原反应

Abstract:

Noble-metal-free iron-nitrogen-carbon (Fe-N-C) catalysts with well-defined FeN4 active sites are promising alternatives to replace platinum (Pt) catalysts for oxygen reduction reaction (ORR). However, the precise design of the peripheral heteroatom-doped FeN4 centers and the clarification of the underlying electrocatalytic ORR mechanism remain a significant challenge. Herein, we employ a coordination engineering strategy to implant two sulfur (S) atoms into the second coordination shell of the FeN4 center (FeN4S2), which effectively modulates the Fe spin state via dz2-p, dxz-p, and dyz-p interactions. The symmetrical S-doping in FeN4S2 can weaken the spin polarization of FeN4 that induces a transition of single-Fe-atom from a high-spin to a medium-spin state, thereby optimizing the oxygen intermediates adsorption and transforming the ORR potential-determining step from *O → *OH over FeN4 to *O2 → *OOH over FeN4S2 with a lower free energy barrier, which greatly boosts the ORR performance in both alkaline and acidic media. The zinc-air battery with a FeN4S2 air electrode delivers a peak power density as high as 248.2 mW cm-2 with exceptional charge-discharge stability, significantly outperforming the state-of-the-art Pt/C air electrode.

Key words: FeN4 active sites, Sulfur-doping, Second coordination shell, Spin state, Oxygen reduction reaction