氧還原反應(ORR)是燃料電池、金屬-空氣電池等可再生能源裝置中必不可少的組成部分。為了推進這些裝置的實際應用，設計一種能夠有效改善ORR緩慢動力學的電催化劑至關重要。具有M-N-C結構的單原子催化劑作為氧還原反應(ORR)的高效電催化劑引起了人們的廣泛關注。

值得注意的是，盡管具有相似的M-N-C結構，但是由不同載體(ZIF和石墨相氮g-C₃N₄)負載的SAC不一定具有相似的催化性能，也就是載體可能導致特征性的金屬載體相互作用(MSI)，這可能進一步誘導不同的M-N配位構型，并引起不同的催化行為。因此，在設計SAC時必須考慮這種配置依賴性。然而，在ORR過程中，由衍生框架誘導的SACs的動態(tài)M-N構型的作用仍然知之甚少。

基于此，臺灣大學陳浩銘和Jiali Wang等制備了一系列固定在g-C₃N₄和ZIF載體上的具有可控Cu-N構型的Cu SAC作為模型催化劑，來了解動態(tài)結構演變和MSIs對ORR催化行為的影響。

研究結果表明，g-C₃N₄上的Cu SAC表現(xiàn)出對稱的Cu-N配位構型，在操作條件下具有可逆的自適應性質，導致其優(yōu)異的ORR催化活性；相反，ZIF衍生的Cu SAC上的Cu-N構型由于其結構的不對稱性，在ORR過程中發(fā)生了不可逆的結構變化，其中拉長的Cu-N對在ORR過程中不穩(wěn)定且會發(fā)生斷裂(該過程與ORR反應競爭)，導致ORR的高過電位。

除了配位情況，另一個影響ORR活性增強的因素是相互連接的碳骨架，它可以顯著影響電荷轉移過程。與具有相同熱解溫度的裸基底相比，將Cu金屬摻入g-C₃N₄后，C K邊XAS的光譜特征保持不變；然而，當Cu固定在ZIF骨架上時，局部碳骨架發(fā)生重構，導致C=O鍵的富集。

值得注意的是，與1s到π*躍遷相關的285.5 eV峰的強度在ZIF衍生的Cu SACs中顯示出顯著的減弱，這種降低可能會降低電荷轉移效率，從而影響ORR性能。總的來說，上述發(fā)現(xiàn)為Cu-N構型的動態(tài)變化與ORR動力學之間的聯(lián)系提供了新見解，并證明了SAC中Cu-N構型的動態(tài)適應對于電催化反應的重要性。

Reversibly adapting configuration in atomic catalysts enables efficient oxygen electroreduction. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c10707