作为一种替代能源，氢气可以通过燃料电池中的直接电化学转化转化为电能。 全电池的一个重要缺点是缓慢的氧还原反应 (ORR)需要高负载的铂族金属 (PGM) 电催化剂促进。 近年来，Fe-N-C族因其成本低、使用寿命长、氧还原反应活性高而受到广泛关注。 为了进一步提高ORR活性，研究了Fe-N-C催化剂活性位点的合成方法、形貌调控和催化机理。

有鉴于此，北京理工大学李煜璟研究员、陈文星副研究员和桂林师范学院Jianling Fan等人，综述了Fe-N-C从纳米粒子到单原子的研究进展。 对催化剂的构效关系及催化机理进行了研究和探讨，为催化剂的合理设计提供指导，从而促进Fe-N-C材料的更合理设计。

本文要点

1）经过快速发展和积累，M-N-C纳米材料的合成方法和性能的基础研究已经达到相对成熟的水平，各种动力学和热力学研究方法已经被应用到M-N-C材料的应用和机理研究中。通过对Fe-N-C材料的制备方法、整体形貌、活性位点形貌及配位结构、催化性能等方面进行了研究，大致得出以下结论:(1)Fe-N-C材料上主要有两个活性位点:一种是单原子形式的FeNx，另一种是粒子形式的铁化合物(如氧化铁、碳化铁和氮化铁);(2)单原子或多原子掺杂(如S、P、B等)会使N掺杂碳基中的电荷分布不均匀，更有利于促进ORR的发生;(3)原子缺陷，如分级多孔结构引起的体缺陷、Fe诱导的C-N关键缺陷的选择性、边缘化的FeNx位点等，通过影响活性位点周围的电子结构来影响ORR过程; (4)具有单原子活性位点的NPs的协同作用也成为提高催化性能的一种方法； (5)ORR过程中产生的反应中间体会吸附在活性位点上，形成新的活性位点配位结构进行催化。

2）ORR电催化剂的开发是能源和材料领域的一个重要且具有挑战性的课题。在该领域，需要不断发展或改进更先进的表征技术，如原位表征和操作表征，以便更直观地了解材料的形成过程和特性。催化位点、掺杂原子和缺陷的可控形成需要进一步解决。通过理论计算和实验相结合的方法，可以更合理、准确地阐明活性位点的性质以及催化剂结构与组成之间的关系。最后，Fe-N-C纳米材料的合理设计和应用，包括：微观结构、化学成分、尺寸控制、催化位点、在各种实用器件中的性能等，还需要进一步探索和完善。

参考文献：

Sun, M., Chen, C., Wu, M. et al. Rational design of Fe-N-C electrocatalysts for oxygen reduction reaction: From nanoparticles to single atoms. Nano Res. (2021).

DOI: 10.1007/s12274-021-3827-8

https://doi.org/10.1007/s12274-021-3827-8