对比Pt/C催化剂，Fe单原子催化剂在酸性电解质中的氧还原反应（ORR）性能较差，严重阻碍了其发展。
基于此，华中师范大学朱成周教授、北京大学郭少军教授和中国石油大学（北京）宋卫余教授（共同通讯作者）等人报道了一种由Pd纳米团簇（PdNC）和Fe单原子组成的ORR催化剂（Fe-N-C/PdNC）。在酸性条件下，Fe-N-C/PdNC表现出优异的ORR性能，具有优异的半波电位（0.87 V），在30000次循环后衰减并不显著，同时燃料电池的最大功率密度高达920 mW/cm2，优于Pt/C催化剂。密度泛函理论（DFT）计算发现，Fe单原子与Pd(111)面耦合和不耦合用于模拟Fe-N-C/PdNC和Fe-N-C，其中Fe与4个N原子结合。优化后的Fe-N-C/PdNC的结构模型显示出Fe中心由方平面向N4-平面外的构型变化，与Fe-N-C相比，Fe-N键被拉伸。随着PdNC的整合，电子从Fe单原子向PdNC的转移，导致了Fe 3d-轨道电子的重分布，进一步的不同轨道细节表明，这主要源于Fe dz2轨道自旋态的增加。从自旋密度图可以看出自旋态的增加，Fe-N-C/PdNC中自旋态较高的Fe位点形成了更宽的自旋相关通道，促进了ORR过程中的电荷传输和电子给电子。考虑到dz2轨道垂直于Fe-N-C平面，LS Fe(II)在MS构型中由原来的空轨道变为部分占据轨道，可有效调节与含氧中间体的轨道重叠。Tuning the spin-state of Fe single atoms by Pd nanoclusters enables robust oxygen reduction with dissociative pathway. Chem, 2022, DOI: 10.1016/j.chempr.2022.10.001.https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.10.001.
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