燃料电池和金属空气电池等能源储存和转换装置的发展都迫切需要开发高效、耐久的氧还原反应 (ORR) 电催化剂。

目前，两个或两个以上 Fe 原子形成的纳米团簇（尺寸< 3 nm）催化剂相比于 Fe 单原子 (Fe SACs) 和 Fe 纳米颗粒 (Fe NPs) 催化剂，能够表现出更加优异的 ORR 催化活性。

但是，根据 Sabatier 原理，Fe 基催化剂处于火山图左侧，有很强的表面结合能力，不利于反应产物的脱附。相反，Cu 基催化剂处于火山图右侧，对反应物的吸附能力很弱，不利于 O–O 键的断裂。

因此，Fe–Cu 双位点纳米团簇 (Fe–Cu DA-NC) 催化剂有望平衡反应物的吸附速率和产物的脱附速率，从而能实现高效、耐久的 ORR 电催化剂。

此外，当金属催化剂中引入其他杂原子（如 S、O、P 等），可以进一步改变中心金属原子的电子结构，从而提高其电催化活性。例如，在本课题组之前发表的工作中，轴向 O 原子作为电子结构修饰剂引入到铁单原子纳米团簇 (Fe-single atomic-nanoclusters, Fe-SA-NCs, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 17136) 或者铁镍合金纳米团簇 (Fe-Ni ANCs, Small, 2021, 202102002) 中，形成具有 N₄–Fe–O₂–Fe–N₄ 结构的 Fe–SA–NCs 与 N₄–Fe–O–Ni–N₄ 结构的 Fe–Ni ANCs，它们都表现出了更优异的电催化性能。

山东大学的夏海兵教授、张进涛教授、浙江大学的田鹤教授和上海同步辐射光源的吕政星研究员等合作制备并表征了由 Fe、Cu 原子组成的、尺寸大约在 0.5~2.5 nm 左右的 Fe–Cu 双位点纳米团簇 (Fe–Cu DA-NCs)，由此把单金属原子-纳米簇的概念拓展到双金属原子-纳米团簇 (Fe-Cu DA-NCs)。

根据球差电镜和同步辐射测试结果，活性位点 Fe–Cu DA-NCs 是由纵向的 N₂–Fe–O–Fe–N₂ 单元和横向的 N₃–Cu–S–Fe–S–Cu–N₃ 单元组成。这类具有桥接结构 (bridging structure) 的双位点过渡金属纳米团簇催化剂不仅拥有合适的表面结合能来平衡反应物的吸附和反应产物的解析，而且还能使催化活性和稳定性达到一个平衡状态，从而能成为具有高效、耐久的 ORR 电催化剂。

该成果以「Bimetallic diatomic nanoclusters with longitudinal Fe–O–Fe units and latitudinal Cu–S–Fe–S–Cu units as efficient ORR active sites」为题，发表于 Journal of Materials Chemistry A，并入选为热门文章 (HOT paper)。

论文的第一作者为夏海兵教授课题组的李红博士；通讯作者为山东大学的夏海兵教授、张进涛教授、浙江大学的田鹤教授和上海同步辐射光源的吕政星研究员。

亮点一：借助 3D 聚苯胺（PANI）水凝胶网络格子的限域效应，成功制备了尺寸大约在 0.5~2.5 nm 左右的 Fe-Cu 双位点纳米团簇（Fe-Cu DA-NCs）负载的碳催化剂；

亮点二：借助TA与不同金属离子的不同络合作用，在 Fe-Cu DA-NCs 中成功引入了轴向 O 与 S 原子，形成了纵向的 N₂-Fe-O-Fe-N₂ 单元和横向的 N₃-Cu-S-Fe-S-Cu-N₃ 单元；

亮点三：得到的 Fe–Cu DA-NCs 催化剂表现出了优异的 ORR 催化活性，半波电位（E_1/2）为 0.951 V（远高于商业 Pt/C，E_1/2=0.89 V），并具有很好的耐久性。

• Bimetallic diatomic nanoclusters with longitudinal Fe–O–Fe units and latitudinal Cu–S–Fe–S–Cu units as efficient ORR active sites
  Hong Li (李红, 山东大学), Xinxin Shu, Haolong Xi, Zhengxing Lv*(吕政星, 上海光源), He Tian* (田鹤, 浙江大学), Jintao Zhang* (张进涛, 山东大学), Haibing Xia* (夏海兵, 山东大学)
  J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 14828-14837
  https://doi.org/10.1039/D2TA04368H