邻近工程调控的钌单原子位点通过空间畸变增强Fe-N4酸性氧还原反应性能

本文报道了一种通过两步热解策略构建的Ru-Fe双位点催化剂(RuFe-N-C)，该催化剂通过原子尺度邻近(~1.7 Å)的Ru单原子与Fe-N4位点协同作用，诱导Fe-N键伸长和2.5%晶格畸变，显著提升了酸性氧还原反应(ORR)性能（E1/2=0.840 V，峰值功率密度938 mW cm–2）和稳定性（10000次循环后E1/2仅衰减17 mV）。研究揭示了双功能机制：Ru位点既增强Fe-N4本征活性（TOF达17.86 e site–1 s–1），又作为电子中继促进活性氧(ROS)清除，为协同优化单原子催化剂活性与稳定性提供了新范式。

Highlight

通过密度泛函理论(DFT)计算系统比较过渡金属调节剂（Ru、Co、Mn、Ni、Cu）对FeN₄体系的影响（图1(a)和图S1）。DFT结果显示，Ru诱导了最显著的Fe-N键畸变（图1(b)），从而优化了O₂吸附构型以促进活化。Bader电荷分析进一步表明，Ru独特地耗尽了Fe中心的电子密度，而Co/Mn/Ni则增强其电子密度（图1(c)）。根据差分电荷密度结果（图S2(a)），Ru作为电子中继促进了Fe位点的电荷重新分布，这为理解其增强ORR活性的机制提供了理论基础。

Conclusions

总之，我们通过两步热解策略成功合成了Ru-Fe双位点催化剂(RuFe-N-C)。先进表征技术证实了Ru单原子与Fe-N₄位点的原子级邻近，投影距离约为1.7 Å。这种Ru-Fe配对引发了可测量的结构扰动，拉长了Fe–N键长，并导致Fe-N₄基团内部产生2.5%的空间畸变。优化的RuFe-N-C催化剂表现出卓越的电化学性能。