2025年6月15日，中国科学院长春应用化学研究所邢巍、肖梅玲、刘长鹏在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《A Universal Metal Ion-targeting Coordination Strategy for Precise Synthesis of Heteronuclear Dual-Atom Electrocatalysts for Oxygen Reduction》的研究论文，Xue Wang为论文第一作者，邢巍、肖梅玲、刘长鹏为论文共同通讯作者。
在本文中，作者提出了一种通用的“金属离子靶向配位”（MITC）策略，用于构建一系列异核DACs。
该方法利用双吡啶（bpy）配体与主金属（M1）配位，形成一个人工单加氧酶结构（bpy）M1（μ2-OH），其中富电子的氧原子作为次级金属（M2）的锚定位点。
在随后的热解过程中，生成的（bpy）M1（μ2-OH）M2前驱体中的氧桥M1-O-M2构型能够实现异核DACs的精确合成。
得益于几何结构和电子结构的优势，异核DACs能够通过更理想的解离机制高效催化氧还原反应（ORR），从而避免了固有的OH*-OOH*线性比例关系。
值得注意的是，FeCo DAC表现出卓越的ORR性能，其起始电位和半波电位分别为1.03 V和0.93 V。
FeCo DAC的优异ORR活性在阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中进一步得到验证，在H2-O2条件的0.9 ViR-free下，其峰值功率密度超过1.3 W cm-2，电流密度为79.2 mA cm-2。
图1：传统与新型合成策略对比：展示了传统的高温煅烧法和本文提出的金属离子靶向配位（MITC）策略的示意图。传统方法存在金属原子分布不均匀的问题，而MITC策略通过精确配位实现了双原子位点的均匀分布。传统的高温煅烧法（上）和金属离子靶向配位策略（下）用于制备双原子催化剂（DACs）。
图2：FeCo DAC的形貌与原子结构：通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和电子能量损失谱（EELS）等技术，揭示了FeCo双原子催化剂的形貌和原子结构，证明了Fe和Co原子的均匀分布和异核双原子位点的形成。
(a) FeCo DAC的像差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC HAADF-STEM）图像。(b) FeCo DAC中Fe和Co原子之间的距离。(c) 来自红色圆圈标记的原子位点的电子能量损失谱（EELS）点谱。(d) Fe、Co及混合元素的能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图。(e) 来自(d)中虚线的Fe和Co的对应强度分布图。(f) FeCo DAC的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）光谱。(g) FeCo DAC的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱。(h) FeCo DAC中Fe和Co K边的波莱变换扩展X射线吸收精细结构（WT-EXAFS）光谱。(i) FeCo DAC的原子结构，其中灰色、蓝色、黄色和青色球分别代表C、N、Fe和Co元素。
图3：MITC策略的普适性：展示了MITC策略的普适性，通过合成FeNi、FeMn和FeCu等多种异核双原子催化剂，验证了该方法的通用性和有效性。
(a)-(c) FeNi DAC、FeMn DAC和FeCu DAC的像差校正高角环形暗场扫描透射电子显微镜（AC HAADF-STEM）图像。(d)-(f) FeNi DAC、FeMn DAC和FeCu DAC的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）光谱。(g)-(i) FeNi DAC、FeMn DAC和FeCu DAC的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱。(j)-(l) FeNi DAC、FeMn DAC和FeCu DAC中Fe和Co K边的波莱变换扩展X射线吸收精细结构（WT-EXAFS）光谱。
图4：催化剂的ORR电催化性能：系统研究了FeCo DAC在氧还原反应（ORR）中的电催化性能，包括起始电位、半波电位、动力学电流密度等，并与Pt/C等催化剂进行了对比，证明了FeCo DAC的优越性能。
(a) FeCo DAC、Fe单原子催化剂（Fe SAC）、Co单原子催化剂（Co SAC）、Fe+Co DAC和Pt/C在0.1 M KOH中的极化曲线。(b) FeCo DAC的起始电位（Eonset）和半波电位（E1/2）与最近报道的双原子催化剂的比较。(c) 对应的半波电位（E1/2）和在0.9 V时的动力学电流密度（jK）。(d) 周转频率（TOF）值。(e) 几种催化剂的塔菲尔（Tafel）斜率。(f) FeCo DAC、Pt/C和Fe SAC的耐久性测试。(g) FeCo DAC和Pt/C在H2-O2条件下的阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）性能。(h) FeCo DAC和Pt/C在H2-空气条件下的AEMFCs性能。(i) FeCo DAC和Pt/C的AEMFC性能比较。
图5：FeCo DAC中双原子的协同作用：通过X射线吸收近边结构（XANES）和原位拉曼光谱等技术，研究了FeCo DAC中双原子位点之间的协同作用及其对ORR反应机制的影响。(a) FeCo DAC及其对照样品的Fe K边的归一化X射线吸收近边结构（XANES）光谱。(b) FeCo DAC及其对照样品的Co K边的归一化X射线吸收近边结构（XANES）光谱。(c) 在O2饱和条件下，FeCo DAC的原位拉曼光谱。(d) 在O2饱和条件下，Fe单原子催化剂（Fe SAC）的原位拉曼光谱。(e) 不同催化剂上*O-O*物种的归一化拉曼强度。(f) FeCo DAC的反应机理。
图6：O2吸附模型和FeCo DAC的ORR反应路径：通过密度泛函理论（DFT）计算，构建了O2在FeCo DAC上的吸附模型，并探讨了ORR反应路径，揭示了双原子位点促进O2解离的机制。(a) 氧气的吸附行为。(b) 在FeCoN6-(OH)、FeN4上吸附的O2分子以及气态自由O2之间的COHP（晶体轨道哈密顿种群）分析。(c) 对应的ELF（电子局域化函数）。(d) 在1.23 V电极电位下，FeCoN6-(OH)和FeN4位点上的ORR自由能图（灰色、蓝色、红色、白色、黄色和青色球分别代表碳、氮、氧、氢、铁和钴原子）。
综上，作者提出了一种通用的“金属离子靶向配位”（MITC）策略，用于精确合成异核双原子催化剂（DACs）。通过构建含有双吡啶配体的前驱体，实现了氧桥接的双金属位点（如Fe-Co）的精确合成，并将其应用于氧还原反应（ORR）。
该研究成功合成了多种异核双原子催化剂，其中FeCo DAC表现出卓越的ORR性能，其起始电位和半波电位分别为1.03 V和0.93 V，超越了商业Pt/C催化剂。此外，FeCo DAC在阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）中展现出超过1.3 W cm-2的峰值功率密度，显示出优异的催化活性和稳定性。
本成果不仅突破了传统单原子催化剂的活性限制，还为设计高性能异核双原子催化剂提供了新的合成方法，为开发用于燃料电池、金属–空气电池等能源应用的高效催化剂开辟了新途径。
AUniversal Metal Ion-targeting Coordination Strategy for Precise Synthesis of Heteronuclear Dual-Atom Electrocatalysts for Oxygen Reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202509360.