近日，我院张建明教授团队在国际期刊《Nature Communications》上发表最新研究论文“Enhancing the ORR durability of single atomic Fe-N4 active sites with implanted SiO2 nanoparticles as radical and H2O2 inhibitors”。江苏大学为该论文的第一完成单位，刘茂松博士为论文第一作者，加拿大国立科学研究院孙书会、大湾区大学夏广杰、新加坡科技研究所李旭为论文共同通讯作者。
在燃料电池、锌空气电池等清洁能源体系快速发展的背景下，氧还原反应（ORR）催化剂是决定能量转化效率和装置寿命的核心材料。目前行业仍主要依赖铂基催化剂，但 Pt 的稀缺性和高成本严重限制了产业规模化。过去十年中，Fe-N-C单原子催化剂因其优异本征活性、丰富的可设计性以及成本优势，被视为最具潜力的 Pt 替代者。然而，这类催化剂在实际运行条件下易受到反应中产生的过氧化氢（H2O2）及羟基自由基（•OH）侵蚀，导致Fe–N4位点逐步失活甚至重构，催化层整体稳定性大幅下降，成为制约其应用的核心障碍。针对这一关键科学问题，研究团队跳出传统“加强碳架构”或“稳定单原子结构”的常规路径，提出“主动清除攻击性物种”的全新耐久性设计理念
团队以生物质和工业废酸为原料，通过可持续化合成路线实现SiO2纳米颗粒与Fe–N–C骨架的深度耦合，构筑出一种植入式SiO2–Fe-N-C单原子催化剂结构。由于SiO2具有优异的化学稳定性和对自由基的清除作用，这些纳米颗粒在催化位点附近形成保护微环境，能够在反应过程中主动捕获H2O2与•OH，抑制其对Fe–N4活性位点的攻击。在质子交换膜燃料电池和锌空气电池测试中，器件展现出优异的功率密度和超长的循环寿命。该研究为非贵金属催化剂的稳定性设计提供了新的理解，构筑能够自适应抵御氧化性物种侵蚀的高稳态催化体系。该成果不仅在电催化机理层面深化了对Fe–N4退化机制的理解，也展示了生物质与工业副产物在高性能能源材料中的创新利用模式，为绿色化催化剂制造提供重要示范，在低碳能源技术发展和可持续材料设计领域具有重要战略意义。
该研究获得国家自然科学基金、省重大科研项目DF计划等项目资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65194-0
