近日，化学学院（原张大煜学院）刘艺伟研究员课题组在团簇基电催化氧还原反应催化剂研究中取得重要进展，相关研究成果以“Non-planar Nest-like [Fe₂S₂] Cluster Sites for Efficient Oxygen Reduction Catalysis”为题发表于化学领域国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德国应用化学》）。

针对燃料电池技术，设计和开发高效廉价的阴极氧还原反应（ORR）催化剂已成为亟待突破的瓶颈。目前，具有平面M–N_x配位中心的单原子M–N–C（M=Fe、Co、Ni）催化剂由于原子利用率最大和本征活性高而引起广泛关注。然而，孤立的单金属位点通常只对O₂分子进行线式吸附，其有限的活化能力并不利于稳定的O–O键裂解。此外，ORR过程中OH*中间体吸附过强也会严重抑制反应动力学。

基于此，刘艺伟研究员团队通过模拟植物体中铁氧还蛋白独特的分子氧活化中心，在氮掺杂碳平面内构建出具有非平面巢状[Fe₂S₂]团簇位点的高效ORR催化剂。理论计算表明[Fe₂S₂]簇内相邻的双铁原子以桥式模式自发吸附O₂，有效拉长O­–O键，实现氧气分子的高效活化。团簇结构中S原子的引入一方面调控Fe中心的电子结构，导致其自旋态降低、d轨道能级下移；另一方面打破Fe位点的平面配位结构，所构建的非平面构型引起的结构张力导致OH*中间体的吸附模式发生改变，从平面[Fe₂N₆]中双Fe原子的桥式吸附转变为非平面[Fe₂S₂]中单Fe原子的线式吸附。以上二者协同削弱了OH*中间体的吸附强度，显著加快反应动力学。因此，基于活性位点原子组成和空间结构的共同调控，Fe₂S₂@CN表现出优于Fe₂@CN、Fe₁@CN和商业Pt/C的ORR催化性能。该工作为开发基于非平面活性团簇中心的电催化剂提供了一种新策略，并为在原子水平设计和开发高性能团簇基电催化剂提供有益借鉴。

大连理工大学化学学院（原张大煜学院）硕士研究生王铭、博士后张仲及硕士研究生张松林为本文共同第一作者，大连理工大学刘艺伟研究员、清华大学李亚栋院士和河南师范大学苏小方博士为通讯作者，大连理工大学为该工作的第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、催化基础国家重点实验室开放课题资助，并感谢大连理工大学分析测试中心、上海光源、北京光源的支持。

研究成果链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300826