科技日报记者 王健高 实习记者 宋迎迎 通讯员 曹莉娟

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所梁汉璞研究员带领的能源材料与纳米催化研究组通过隔离锚定策略，制备了多孔氮掺杂碳负载的铁单原子催化剂。通过该策略制备的Fe₁/NC催化剂在碱性和酸性溶液中均表现出优异的氧还原催化性能，其具有较高的活性、较强的甲醇耐受性和良好的稳定性。这项工作对制备高效、稳定的金属-空气电池氧还原催化剂具有重要的意义。相关研究成果近期发表在国际碳材料期刊《碳》上。

单原子催化剂因其具有丰富的活性位点和超高的原子利用率而获得广泛研究。然而，利用现有的原子层沉积、浸渍吸附和光沉积等策略合成的单原子催化剂，存在金属原子分散性差、金属与载体之间相互作用弱等问题，从而限制了单原子催化剂的氧还原催化性能。

图1. Fe₁/NC的合成示意图和结构表征图。曹莉娟制图

青岛能源所梁汉璞研究员带领的能源材料与纳米催化研究组通过一种简单的隔离锚定策略，制备了多孔氮掺杂碳负载的铁单原子催化剂（Fe₁/NC，图1）。该方法利用D-葡萄糖、葡萄糖酸锌和组氨酸来分散和锚定铁原子。首先，通过组氨酸的咪唑基团螯合Fe^3＋，实现金属原子的初步锚定。其次，在水热过程中，含有大量羟基的D-葡萄糖和葡萄糖酸锌会在高温高压环境下与组氨酸中的羧基发生反应，进一步分散金属原子。最后，通过高温热解去除锌和多余有机物后，即可得具有丰富孔结构的Fe₁/NC催化剂。  

研究发现，与商业Pt/C催化剂和大多数报道的铁单原子催化剂相比，通过该策略制备的Fe₁/NC催化剂在碱性和酸性溶液中均表现出优异的氧还原催化性能，其具有较高的活性、较强的甲醇耐受性和良好的稳定性。更重要的是，用Fe₁/NC组装的锌空气电池具有较高的功率密度，较大的放电比容量，以及超过300h的优异稳定性。这项工作对制备高效、稳定的金属-空气电池氧还原催化剂具有重要的意义。

该团队前期工作取得了系列进展，以可循环再生的生物质为载体制备了Fe-N-C和Fe₁Pt₁/NC催化剂，利用金属框架聚合物与金属离子的强相互作用实现了Fe单原子在碳载体上的均匀分散，通过有机弱酸盐辅助热解策略构筑了高效稳定的Fe-N-C单原子材料。