当新能源汽车因“续航焦虑”难以普及，储能电站因“贵金属依赖”成本高企时，我国科研团队在催化剂领域的突破为清洁能源应用带来新希望。西北工业大学、福州大学联合研究显示，通过调控单原子M-N-C催化剂的“原子邻居”——即中心金属原子的配位环境与电子结构，开发出的Fe-N5、S掺杂Fe-N4等新型催化位点，在酸性条件下氧还原反应（ORR）半波电位达0.895 V，循环10000次后性能保持率超90%，成本较传统铂基催化剂降低60%。相关成果发表于《Frontiers of Energy》，已在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中完成中试验证。

铂基催化剂“卡脖子”，单原子如何实现“原子级利用”？

作为氢能转化的核心器件，PEMFCs因高效零排放被视为下一代能源系统的“心脏”，但其阴极催化剂长期依赖铂金属——每克价格超300元，占电池总成本的40%，且全球铂储量仅6.9万吨。“传统铂催化剂就像‘撒胡椒面’，大量原子被包裹在内部无法参与反应，利用率不足20%。”研究团队解释，而单原子催化剂通过将金属原子“孤立分散”在碳载体上，理论利用率可达100%。

然而，单原子催化剂长期面临“活性与稳定性跷跷板”困境：金属原子易团聚，导致ORR反应中关键中间体（如*OH）吸附过强或过弱。例如，传统Fe-N4催化剂在1 A/g电流下循环500次，活性就衰减过半。

给金属原子“搭电子脚手架”：配位工程破解难题

研究团队另辟蹊径，通过“配位结构调控”和“杂原子掺杂”两大策略，为金属原子打造“最优工作环境”：

• 调整“核心朋友圈”：将传统Fe-N4位点的平面四配位结构，升级为Fe-N5轴向五配位（如同给金属原子“加了个轴向帮手”），使氧分子吸附能从-0.8 eV降至-0.5 eV，ORR反应动力学提速3倍。实验中，Fe-N5催化剂在0.88 V电位下电流密度达1.65 mA/cm²，远超商用Pt/C的1.2 mA/cm²。
• 引入“电子调节剂”：通过硫（S）、磷（P）等杂原子掺杂，微调金属位点的电子云密度。例如，S掺杂的Fe-N4催化剂，*OH中间体脱附能垒从0.6 eV降至0.38 eV，避免“吸附过牢难以脱手”的问题，循环10000次后容量保持率仍达85.6%，而未掺杂样品仅余31.9%。

双金属“搭伙干活”：协同效应提升稳定性

更创新的是，团队构建“双金属活性中心”，让Fe与Co原子通过氮桥连接形成“协作单元”。这种结构使氧分子的O-O键断裂能垒降低2.4倍，四电子反应选择性提升至98%（传统单金属位点约85%）。在H₂-O₂燃料电池测试中，该催化剂峰值功率密度达682 mW/cm²，超过Pt/C的640 mW/cm²。

“就像两人抬重物更省力，双金属位点通过电子协同，既增强了对中间体的‘抓握力’，又避免了单原子团聚。”研究人员比喻道。

从实验室到生产线：成本降半，寿命超万次

目前，该催化剂已通过干吨级量产验证：在10 mg/cm²高负载下，体积活性达733 mA/cm³，循环1000次后容量保持率82.1%，远超行业标准的500次。按此性能，搭载该催化剂的燃料电池汽车续航可达1200公里，成本降至每千瓦200美元以下，接近国家“十四五”新能源规划目标。

论文通讯作者表示：“下一步将优化多孔碳载体的传质效率，目标2026年实现吨级量产，推动催化剂在储能电站、重型卡车等领域的规模化应用。”

来源: FIE能源前沿期刊