近年來，具有高原子利用率和獨特電子性質的單原子催化劑(SAC)在電催化、光催化和有機催化等催化領域受到廣泛關注。大多數SAC由孤立的單一金屬位點與碳載體(M-NC)中相鄰的氮原子配位組成。不飽和配位效應和量子尺寸效應使得單原子催化劑在許多反應中具有更好的催化活性，同時均勻的反應位點大大提高了特定反應的選擇性。為了保持單原子構型，金屬負載常常受到限制以防止聚集。

雙原子催化劑(DACs)作為SAC的延伸，雙金屬位獨特的原子界面和協同效應有可能增強各種轉化反應中活性中心的效能。雙原子位點也提供了更多的可用活性位點，這使得金屬原子的負載量增加。然而，不同類型的位點之間的協同作用及其在催化過程中的功能常被忽視。因此，弄清真正的活性中心及其催化機理對于單/雙原子催化體系的研究具有重要意義。

近日，天津大學胡文彬、韓曉鵬和新加坡國立大學汪磊等構建了一種由Co單原子中心和CoMn雙原子中心組成的氮摻雜碳載體模型催化劑(Co/CoMn-NC)，并展示了一種揭示其氧還原反應(ORR)真實催化活性中心的有效策略。具體而言，研究人員首先通過CoZn-沸石咪唑骨架(ZIF-8)前驅體的高溫熱解和Mn鹽的吸附，引入了CoMn雙原子位點。

為了證明引入的Mn位點更傾向于形成具有Co位點的CoMn雙原子結構，計算了Mn的不同結構的結合能。結果顯示，N₄結構表現出與Co更強的結合能，同時Co與Mn之間傾向于直接成鍵形成穩定的雙原子結構。

隨后，以ORR為模型反應評價了Co/CoMn-NC的催化活性。結果顯示，Co單原子位和CoMn雙原子位的協同作用顯著提高了Co/CoMn-NC在堿性條件下的ORR性能，半波電位(E_1/2)為0.89 V，優于Co-NC(0.81 V)、CoMnNC(0.85 V)和商業Pt/C催化劑(0.87 V)。此外，基于Co/CoMn-NC的鋅-空氣電池在401 mA cm^-2時的功率密度達到213 mW cm^-2。

原位拉曼光譜學和理論計算表明，Co/CoMn-NC催化劑中Co雙原子位點上的Co位點是主要的活性中心，Co單原子位點和CoMn雙原子位點之間的相互作用優化了這些活性中心(包括Co單原子位點和CoMn雙原子位點內的Co位點)的電子結構，增強了關鍵反應中間體的吸附和脫附行為，從而顯著改善了ORR動力學。綜上，該項工作介紹了一個系統的策略來闡明單/雙原子催化體系的結構和優越性，并揭示了原子分散的多金屬活性位點的催化機理，為未來具有成本效益和高效率的催化劑設計提供了指導。

Revealing the active sites in atomically dispersed multi-metal–nitrogen–carbon catalysts. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202315862