南开大学构建FeSn双原子催化剂，通过‘质子中继’机制显著提升氧还原反应动力学。

南开大学电子信息与光学工程学院王卫超教授课题组通过构建FeSn双原子催化剂，在燃料电池阴极的氧还原反应中引入了‘质子中继’机制，大幅提升了反应动力学。所制备的FeSn-N-C催化剂在氧还原反应中展现出了优于商业Pt/C的活性与稳定性，其半波电位达到0.91 V（相对于可逆氢电极），比商业的Pt/C高出39 mV。在燃料电池层面，实现了1.01 W cm^-2（H₂-O₂）和 0.71 W cm^-2（H₂-O₂）的峰值功率密度，并FeSn-N-C 阴极在0.90 V_iR-free下可达到0.160 A cm^-2的电流密度，这在无铂型AEMFC阴极中是已报道的最佳性能之一。

图1. FeSn-N-C氧还原反应质子中继机制图（左）及FeSn-N-C燃料电池应用性能图（右）

为了精确量化质子中继单元Sn对Fe上氧中间体质子化过程动力学的提升，研究团队对FeSn-N-C和无Sn的Fe-N-C的质子转移过程进行了分子动力学模拟和能垒计算。结果显示，对于OH*质子化过程，FeSn-N-C上的能垒由Fe-N-C的0.52 eV降低至0.33 eV，值得注意的是，对于O₂质子化过程，相对于Fe-N-C的0.46 eV的能垒，FeSn-N-C表现为无能垒，这一结果有力地说明了质子中继单元Sn对Fe上氧中间体质子化动力学提升的重要作用。这种原子级协同位点的中继效应为后续氧还原的研究提供了新的思路。

图2. FeSn-N-C和Fe-N-C的氧还原反应中的O2（左上）和*OH（左下）质子化能垒

研究成果详见《Journal of the American Chemical Society》期刊：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6c01888