为了保证燃料电池和金属-空气电池等设备的快速反应动力学，需要一个高效的四质子耦合电子转移氧还原反应(ORR)。单原子催化剂(SACs)中，金属原子作为反应的活性催化中心，表现出良好的ORR性能，但受标度关系限制。双原子催化剂(DAC)中，一个金属原子作为活性金属中心，而另一个金属通常作为对应中心，削弱了标度关系极限，表现出可调谐的电子结构，具有良好的电催化ORR活性。
对应金属通常通过两个金属原子之间的轨道耦合或远距离相互作用作调节活性位点的电子结构、氧化态、自旋态和d轨道电子分布，以优化反应中间体的解吸和/或吸附。尽管如此，标度关系限制、ORR过程缓慢的动力学以及金属的聚集对SAC/DAC的催化应用提出了巨大的挑战，这需要对单相电催化剂进行设计和研究以增强ORR活性。近日，香港大学陈冠华、加州理工学院William A. Goddard III、香港科技大学罗正汤和香港理工大学朱叶等采用密度泛函理论(DFT)计算，预测了氮掺杂石墨烯上Fe、Co、Ni和Ru金属组成的高熵单原子催化剂(FeCoNiRu-HESAC)在5种不同结构(平均金属间距为10.68、9.18、6.11、4.81和2.98 Å)中的ORR活性。结果表明，当金属间距为6.11 Å时，Fe位点的ORR过电位为0.44 V，明显优于Fe、Co、Ni和Ru SACs。此外，研究人员还发现Fe、Co、Ni和Ru原子之间的非键相互作用可以显著地影响它们的ORR活性。在DFT计算的基础上，研究人员采用两步热解法合成了FeCoNiRu-HESAC催化剂。性能测试结果显示，在酸性和碱性电解质中，FeCoNiRu-HESAC在1 mA cm-2电流密度下的过电位分别为0.41和0.37 VRHE，Tafel斜率分别为101和210 mVdec-1，动力学电流密度分别为8.2和5.3 mA cm-2。同时，该催化剂在酸性条件下进行1000个循环后，活性仅发生轻微下降，材料的形貌和结构仍保持良好，表现出优异的稳定性。此外，合成的FeCoNiRu-HESAC用于Zn-空气电池，开路电压为1.393 V，功率密度为0.16 W cm-2。综上，这些结果证明了在DFT指导下合理设计HESAC以提高电催化活性的可行性，为现有电催化剂的发展提供了新的方向。A high-entropy single-atom catalyst toward oxygen reduction reaction in acidic and alkaline conditions. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202309883
