质子交换膜燃料电池具有零碳排放、高体积功率和二氧化碳耐受性等无可比拟的优点，是解决日益严重的能源危机和环境污染问题最有前途的可再生能源转换设备之一。

氧还原反应由于其反应动力学缓慢，通常需要昂贵且稀缺的铂族金属催化剂，因此一直被认为是整个设备的决速反应。最近，具有Fe-N₄结构的单原子催化剂因其对ORR具有较高的活性和4e^-选择性而引起了科学家的强烈兴趣。然而，对称的Fe-N₄结构对氧中间体的吸附能不能令人满意，导致其在酸性介质中本征活性相对Pt基贵金属较低且稳定性差。因此，探索高效且能保持长期耐用性的铁基原子分散催化剂更具挑战性，但也极具价值。

近日，清华大学的王定胜教授，以典型的Fe-N₄单原子为研究对象，通过设计一种全新的“预限制“策略，构建了相邻Co金属原子团簇与Fe-N₄单原子共存的结构用于高性能的质子交换膜燃料电池。

通过将Co₄分子簇和Fe(Acac)₃ 包裹在碳基MOF前驱体的“预限制”策略，在氮掺杂的碳基衬底上制备出Fe-N₄与高度均匀的Co₄原子级团簇的催化剂（Co₄@/Fe₁@NC）。通过先进的球差技术和X-射线光谱技术，证明Fe单原子和Co₄原子团簇均匀分散在氮掺杂的碳基体。所研制的Co₄@/Fe₁@NC催化剂在酸性介质中的半波电位(E_1/2)为0.835 V，在H₂-O₂燃料电池测试中的峰值功率密度为840 mW·cm⁻²，这得益于其独特的Fe₁/Co₄活性位点以及优化的Fe-N₄电子结构。

同时, DFT理论计算研究表明，相邻Co₄原子团簇可以辅助Fe-N₄活性中心的O₂活化，并降低Fe-N₄位点对氧中间体的吸附，进而降低Fe-N₄的ORR的过电位从而加速整个ORR动力学过程。进一步的电荷密度和d-带中心理论结果证明偶联的Co₄原子团簇可显著调控Fe-N₄电子结构从而调控其对氧中间体的吸附。

该工作在原子水平上刷新了对多金属原子位点的认识，并为高效原子级分散电催化剂的设计提供了合理的理论指导。