碳负载氮配位过渡金属单原子催化剂具有金属原子利用率高、催化活性好等优点，是一种极具发展前景的氧反应电催化剂。其中，具有FeN4位点的Fe-N-C材料已经成为ORR的典型催化剂，但是它们的OER性能仍不理想。通过引入次级活性金属中心(双原子催化剂，DAC)来调控中心金属原子的配位环境(如N、P、S、B、Se等)是改造活性中心局域几何结构和电子结构的有效途径。先前研究表明，微调双活性金属中心的第二配位球可以提高ORR/OER催化活性。但是，目前还没有关于调控DAC第一配位球的配位构型来提高ORR/OER性能及其催化机理的报道。
基于此，南洋理工大学范红金、延世大学Seong-Ju Hwang、苏州大学潘志娟、王哲和海南大学刘一蒲等在FeN4-NiN4双原子位点上引入B (FeN4B-NiN4B)来调控中心Fe/Ni原子的局部几何构型和电子构型，旨在全面揭示DAC位点的第一配位球对催化OER/ORR过程的影响。结果显示，对中心金属原子的优化使DAC体系的ORR和OER活性显著高于未掺B的FeN4-NiN4体系。具体而言，对于ORR，FeN4-NiN4的半波电位为0.900 VRHE，在碱性电解液中连续运行50小时的电流保持率高达92.19%，显示出优异的稳定性；在OER反应中，FeN4B-NiN4B在10 mA cm-2电流密度处的电位为1.618 VRHE，明显低于FeN4-NiN4 (1.640 VRHE)。密度泛函理论(DFT)计算表明，FeN4B和NiN4B中心的结构畸变导致电荷转移效应和不对称电荷分布，优化了它们对含氧中间体的吸附和脱附行为，从而显著降低了ORR反应和OER反应的能垒。此外，为了展示其潜在的器件应用，用FeN4B-NiN4B催化剂制备了水相ZAB，其最大功率密度为236.9 mW cm-2，在5和40 mA cm-2下分别具有1100和130小时的优异循环稳定性。综上，该项研究不仅为双功能氧反应提供了一种高性能原子催化剂的简便合成方法，而且为杂原子掺杂对几何结构和电子结构的调控提供了思路。Tailoring first coordination sphere of dual-metal atom sites boosts oxygen reduction and evolution activities. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202315376
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