研究背景
目前調(diào)控單原子之間距離的方法主要是改變金屬元素的負(fù)載量。一般認(rèn)為金屬元素的負(fù)載量越高，單原子之間的距離越近。然而，這種方式屬于概率型方法，很難精準(zhǔn)控制單原子之間的距離。并且，當(dāng)負(fù)載量過高的時(shí)候，容易形成團(tuán)簇，很難保證單原子狀態(tài)的存在。
成果簡(jiǎn)介
基于此，安徽工業(yè)大學(xué)/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授、安徽工業(yè)大學(xué)劉明凱教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李洪良副教授等人合作，聯(lián)合報(bào)道了一種通過界面錨定策略精準(zhǔn)調(diào)控單原子之間距離的通用方法。該方法通過配體的選擇以及利用金屬原始晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單原子之間距離的精準(zhǔn)調(diào)控。該項(xiàng)成果以“General synthesis of neighboring dual-atomic sites with a specific pre-designed distance via an interfacial-fixing strategy”為題，發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》（Nature Communications）上。安徽工業(yè)大學(xué)為論文的第一單位，化學(xué)與化工學(xué)院閆巖教授為論文的第一作者。
研究亮點(diǎn)
1. 通用型近鄰金屬-氮位點(diǎn)的構(gòu)筑方法：通過界面固定策略，利用特定配體在金屬氧化物與基體界面處錨定金屬氧化物原始晶體結(jié)構(gòu)中相鄰的金屬原子，制備具有特定距離的鄰近金屬-氮材料（金屬包括鐵、銅、鈷、鎳、鋅和錳），適用于多種非貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)。
2. 高純度雙金屬位點(diǎn)催化劑及其性能：通過化學(xué)刻蝕結(jié)合氮源錨定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高純度（>95%）的雙鐵位點(diǎn)制備。在催化氧還原的反應(yīng)過程中，相鄰鐵-氮基團(tuán)表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，超越商用鉑碳的半波電位、耐甲醇與耐一氧化碳能力、長時(shí)穩(wěn)定性。
3. 在鋅空氣電池中的應(yīng)用：將該催化劑應(yīng)用于鋅空氣電池中，展示出高達(dá)190.6 毫瓦每平方厘米的最大功率密度，顯著優(yōu)于商用鉑碳組成的電池（151.7 毫瓦每平方厘米），展現(xiàn)出在清潔能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
圖文導(dǎo)讀
圖一 氮配位的鐵-鐵雙原子合成及結(jié)構(gòu)表征。
在四氧化三鐵晶體單元中，鐵原子之間有四種距離：2.96、3.48、5.13和5.93 埃。尿素高效地錨定了相距2.96埃的鐵原子，形成具有近鄰關(guān)系的鐵-鐵雙原子對(duì)催化劑。該催化劑中具有近鄰關(guān)系的鐵-鐵原子對(duì)純度高達(dá)98%，鐵原子的質(zhì)量比含量為2.36%。
圖二 具有不同距離狀態(tài)的金屬-金屬雙原子對(duì)的結(jié)構(gòu)表征。
為了驗(yàn)證界面固定方法是否可以拓展到其他鄰近的金屬-金屬雙原子對(duì)催化劑，分別以氧化亞銅、四氧化三鐵、氧化鎳、氧化鋅和二氧化錳為金屬源，以尿素為配體合成近鄰金屬-氮催化劑。通過一系列表征確認(rèn)了產(chǎn)物中沒有簇或納米顆粒的存在，相鄰金屬原子的距離與其金屬氧化物對(duì)應(yīng)物的距離一致，這些結(jié)果證實(shí)了我們的合成策略在氮配位的近鄰金屬-金屬原子對(duì)催化劑制備中的普適性。
圖3 氧還原催化性能。
氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)相較于氮配位的鐵單原子和商業(yè)鉑碳催化劑，在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出更高的起始電位（0.95 伏）和半波電位（0.90伏），以及更高的動(dòng)力學(xué)電流密度和更低的塔菲爾斜率。此外，基于氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)的柔性鋅空氣電池在平展和彎曲狀態(tài)下均能點(diǎn)亮發(fā)光二極管，顯示出優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和應(yīng)用潛力。這些結(jié)果驗(yàn)證了氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)作為高效氧還原催化劑和柔性電池電極的卓越性能。
圖4 第一性原理計(jì)算與分析。
通過密度泛函理論計(jì)算分析了鐵基催化劑中的氧還原反應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)氧氧雙鍵的活化是反應(yīng)的速率決定步驟。氮配位的鐵單原子和氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)的氧分子吸附構(gòu)型表明，氮配位的鐵-鐵雙原子在平行吸附模式下對(duì)氧氣的活化最為有效，具有更強(qiáng)的化學(xué)吸附能力和顯著減弱的氧氧鍵。自旋極化態(tài)密度分析顯示氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)的d帶中心更接近費(fèi)米能級(jí)，表明更強(qiáng)的吸附能力。進(jìn)一步分析表明，氮配位的鐵-鐵雙原子對(duì)在平行吸附時(shí)，氧氧鍵顯著減弱，促進(jìn)了氧的活化。
總結(jié)展望
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種界面適配策略，構(gòu)筑了具有特定預(yù)設(shè)計(jì)距離的相鄰鐵-鐵雙原子對(duì)結(jié)構(gòu)的催化材料，其核心在于利用骨架的晶體結(jié)構(gòu)和配體類型精確控制相鄰金屬原子之間的距離。這項(xiàng)工作為調(diào)節(jié)相鄰原子之間的距離提供了一種自上而下的合成策略，與傳統(tǒng)方法不同，它是預(yù)先設(shè)計(jì)了金屬距離，而非依靠金屬負(fù)載量來提升具有“近鄰原子”的概率。這一策略有望推動(dòng)在原子尺度下對(duì)材料結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，為催化及更多領(lǐng)域帶來新的突破。
文獻(xiàn)信息：
General synthesis of neighboring metal-Nx moieties with a specific pre-designed distance via an interfacial-fixing strategy. Nat. Commun. 2025,16 (1), 334.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55630-y.
