近日，我校化学化工学院孙世刚院士、王宇成副教授团队在非贵金属催化剂活性位点结构研究方面取得重要进展。相关成果以"Identifying high-spin hydroxyl-coordinated Fe3+N4as the active centre for acidic oxygen reduction using molecular model catalysts"为题，发表在Nature Catalysis。

Fe-N-C催化剂是酸性氧还原反应中最有希望替代Pt的催化剂，但其活性中心的电子结构（尤其是自旋态）一直不明确。该研究的挑战在于缺乏模型催化剂。理想的模型催化剂需要满足三大条件：原子结构明确、Fe位点均一（避免自旋态混合）及与实际催化剂相当的高活性。现有的模型催化剂体系，如石墨烯负载的铁单原子，酞菁/卟啉单体分子，均无法满足以上要求。

课题组设计合成了一种共轭桥联酞菁铁二聚体（FePc=FePc）模型催化剂，明确精确指认了高自旋三价Fe³⁺N4位点（OH-Fe³⁺N4，S=5/2）是高效活性中心。进一步，结合穆斯堡尔谱、X射线吸收谱等表征手段，揭示了Fe自旋态与催化活性的构效关系: S=5/2态具有最优的吸附强度，而S=3/2态吸附过强，S=0/1态吸附过弱，均导致活性下降。理论计算进一步阐明，Fe与碳平面间的π-d相互作用通过调控d轨道分裂能决定自旋态。该研究为非贵金属催化剂理性设计与自旋态调控提供了新思路。

该工作在孙世刚和王宇成的共同指导下完成，实验部分主要由赵匡民博士（厦门大学）完成，理论计算部分由吴道雄副研究员（海南大学）和武文堃博士（密歇根大学）完成。研究得到国家重点研发计划（2023YFA1509000）、国家自然科学基金（22021001、22179116、2228810）与中央高校基本科研业务费（20720220017）等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41929-025-01324-7

（化学化工学院）