成本高、自然储量低的贵金属是提高氧还原(ORR)反应动力学的常规电催化剂，开发具有高反应性和高稳定性的具有经济效益的催化剂是实现与ORR反应相关能源技术发展的关键一步。有报道显示，单原子金属-氮-碳材料已显示出优异的氧还原反应(ORR)性能，然而开发具有高反应性的耐用催化剂仍然是一项巨大的挑战。

在此，东北大学李犁和燕山大学王静等通过基于理论筛选合理设计Fe/Zn-NC双原子催化剂，提出了一种独特的由Fe和Zn协同诱导的半金属电子结构(Fe/Zn-NC)。

基于微/电子结构优势，Fe/Zn-NC在酸性和碱性介质中均实现了优异的ORR 活性(该催化剂在0.1 M KOH中和0.1 M HClO₄中的半波电位分别为0.906 V和0.808 V)，超过了包括基准贵金属在内的大多数最先进的电催化剂。此外，该催化剂还在恶劣酸性条件下具有优异的长期稳定性，在5000个循环反应后半波电位仅损失12 mV。

通过系统的理论计算，研究人员发现Fe-Zn对的质子化自由能最高，表明其可能具有最高的稳定性。通过高温热解法合成了具有优良配合能力的双原子催化剂，详细的结构表征证实了其原子分散位点的配位数为4.02。

随后的理论计算显示，Fe 3d轨道随着电子在费米能级自发自旋极化而变宽，导致半金属电子结构的形成。这种结构在费米能级上填充自发自旋极化传导电子，从而增强了自由O₂的捕获和键合，在ORR过程中，以Zn-N作为牺牲键，FeN₄活性中心得到了很好的保留。本研究为通过电子结构调节实现ORR催化剂的高稳定性和反应性提供了一种策略，为高性能能源用电催化剂的设计提供了指导。

A Durable Half-Metallic Diatomic Catalyst for Efficient Oxygen Reduction. Energy & Environmental Science, 2022. DOI: 10.1039/D1EE03194E