通讯单位：南京航空航天大学
氧还原反应(ORR)活性可以通过调节电子构型和优化化学键来有效调控。
南京航空航天大学彭生杰教授课题组提出了一种优化金属单原子活性的总体策略，即通过涂层-热分解-蚀刻的方法来装饰金属簇。在这种独特的结构中，金属团簇能够诱导电子再分布，并调节M-N的键长。该方法促进了ORR反应动力学。
图1. 催化剂的合成及形貌表征。
相关工作以“Clusters Induced Electron Redistribution to Tune Oxygen Reduction Activity of Transition Metal Single-Atom for Metal-Air Batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。
图2. 催化剂的电催化ORR性能。
要点1.金属原子团簇功能化分散的金属单原子锚定在氮掺杂碳衬底(M-ACSA@NC, M=Fe, Co, Ni)上，通过酸刻蚀形成金属原子团簇能够促进ORR反应动力学，降低分散原子位的能垒。
要点2.结果表明，Fe-ACSA@NC在碱性介质中表现出更好的ORR活性。相对于具有0.90 V vs可逆氢电极(RHE)的半波电位和6.3 mA cm-2的扩散极限电流密度，优于商用Pt/C和修饰过的纳米颗粒。
要点3.理论分析进一步表明，金属团簇诱导了M-N-C和碳载体中金属中心位置之间的电子再分布。优化后的电子构型可促进ORR过程中中间体的解吸性能，提高半波电位。理论分析通过将ORR活性与簇诱导电荷转移联系起来，强化了金属簇的重要作用。
要点4.这种策略也被发现适用于Co和Ni原子位置。此外，合成的Fe-ACSA@NC在金属-空气柔性固态电池和水-空气电池(如锌-空气电池和铝-空气电池)中都表现出优异的电化学性能。其中，基于Fe-ACSA@NC的柔性铝空气电池和水性铝空气电池的放电性能分别为1.70 V@1 mA cm-2和1.52 V@30mA cm-2。
这一策略是一种有效的、通用的M-N-C电子调制技术，突出了金属原子团簇对单原子的影响，并为高活性单原子电催化剂的合理设计提供了见解，在储能器件的应用中显示出巨大的潜力。
图3. Fe-ACSA@NC的理论分析。
图4. Al-air电池性能。
图5. 原子团簇装饰概念的通用性。
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