Fe-N-C氧还原电催化剂的活性来源：吡咯氮配位和轴向配体的关键作用    

在氧还原反应中，Fe-N-C型电催化剂已成为广泛研发的铂基催化剂的理想替代品。然而，这类催化剂的真正活性位点仍然存在争议。中心金属Fe周围不同类型的配位氮包括吡啶氮和吡咯氮对于催化活性的影响仍然需要澄清。此外，如何理解Fe-N-C催化剂氧还原活性的pH依赖性也是一个亟待解决的问题。

基于以上背景，南开大学/郑州大学周震教授课题组基于恒电位隐式溶剂模型，通过模拟接近真实的电化学反应环境，综合研究了13种不同配位氮数目和类型的Fe-N-C催化剂构型及其对应的氧还原活性。结果表明，吡咯氮配位的Fe-N-C催化剂相比吡啶氮配位具有更高的活性，而吡咯FeN₄C催化剂在酸性介质中具有最高的活性。中心金属Fe轴向吸附反应中间物种，原位活性位点转化为*O-FeN₄C和*OH-FeN₄C，阐明了Fe-N-C催化剂在碱性介质中具有较高活性的原因。上述计算模拟充分考虑溶剂化效应、pH值和恒电位等主要因素对于催化剂稳定性和活性位点的动态影响，可很好还原电化学实验结果，如计算的吡咯型氮配位的FeN₄C的起峰电位为 0.91 V/RHE (pH=1)，与实验测试结果(0.89/0.90 V vs. RHE, 0.5 M H₂SO₄)高度一致，因而可为Fe-N-C催化剂的理性设计提供可靠指导。

该成果发表于Journal of the American Chemical Society, 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c08743，第一作者为南开大学硕士研究生胡绪，通讯作者为郑州大学张旭研究员和周震教授。该工作得到了国家自然科学基金的资助，计算是在国家超级计算郑州中心完成的。