在堿性和酸性電解質中，Fe-N-C催化劑是碳負載過渡金屬(Fe，Co，Mn，Cu等)SACs中ORR催化性能最高的材料。然而，由于與含氧中間體的的結合較強，Fe-N-C催化劑的性能仍然未能達到M-N-C火山區的頂點。此外，Fe-N-C催化劑在酸性介質中由于Fenton反應而發生活性降解，而Co-N-C和Mn-N-C催化劑在酸性介質中表現出更好的ORR穩定性。

研究人員已經證明，Fe-N-C催化劑的ORR性能可以通過合理調整中心金屬原子的幾何結構和電子結構來進一步增強，但其在高度氧化環境下的相對較差的耐久性阻礙了它們在燃料電池和可充電鋅-空氣電池(ZABs)中的實際應用。據報道，富含局部缺陷的碳疇的氧化可能導致ORR活性急劇下降。因此，跟蹤M-N-C催化劑活性三相界面的動態結構演變對提高催化劑的活性和穩定性至關重要。

近日，蒙特利爾大學張改霞、加拿大國立科學研究所(INRS)孫書會和武漢紡織大學楊應奎等開發了一種新的二元原子催化劑(Fe/Co-CTs/CNTs，具有Fe-N₄和Co-N₂C₂結構)，系統地研究了高氧化環境對ORR電化學行為的影響。具體而言，研究人員通過調節MOF結構中Fe和Co的空間距離，成功地合成了固定在碳納米管上的N配位Co納米團簇和孤立的二元原子Co/Fe位點，Fe-N₄活性中心的電子結構可以通過相鄰的Co-N₂C₂位點和氮配位的Co納米團簇進行優化，使得催化劑具有豐富的活性位點低的電荷和物質傳輸阻力，從而改善氧電催化性能。

實驗結果表明，Fe/Co-CTs/CNTs催化劑具有較高的雙功能氧電催化穩定性和循環穩定性，并且其在質子交換膜燃料電池和可充電鋅-空電池中的電催化性能顯著提高。

此外，研究人員利用原位EXAFS、XPS和EIS分析揭示了催化劑在堿性介質中高氧化條件下的降解機理，即材料的結構效應可能潛在地從碳載體上分離不穩定的M-N-C位點以形成金屬氧化物，顯著降低M-N-C活性位點的含量；并且，高的氧化電位會導致M-N-C活性位周圍的無定形碳載體坍塌，這是ORR/OER過電位較大的主要原因。

總的來說，該項工作系統地研究了高氧化環境對ORR電化學行為的影響，為設計高效穩定的多功能電催化劑提供了理論指導。

Engineering Fe-N₄ electronic structure with adjacent Co-N₂C₂ and Co nanoclusters on carbon nanotubes for efficient oxygen electrocatalysis. Nano-Micro Letters, 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01195-2