大湾区大学物质科学学院夏广杰研究员与加拿大（魁北克）国家科学研究所孙书会院士、江苏大学张建明教授、新加坡科技研究局李旭研究员合作，通过系统性的实验与理论计算结合研究，揭示了SiO₂纳米颗粒作为自由基清除剂，可以抑制H₂O₂的生成，从而在提升Fe-N₄单原子催化剂氧还原反应耐久性上起到了关键作用，为设计高稳定性非贵金属催化剂提供了新思路。相关成果以“Enhancing the ORR durability of single atomic Fe–N₄ active sites with implanted SiO₂ nanoparticles as radical and H₂O₂ inhibitors”为题发表在《Nature Communications》(IF 16.6)期刊。

       氧还原反应（ORR）是金属-空气电池和燃料电池等清洁能源技术的关键反应，需要开发高效稳定的催化剂。Fe–N–C单原子催化剂因具备高活性、高原子利用率和低成本优势，被视为替代铂等贵金属的潜力催化剂。然而在实际反应中，Fe–N₄活性中心易受到H₂O₂及活性氧物种侵蚀，导致失活与结构退化，严重制约催化剂寿命。因此，如何在确保Fe–N₄ ORR活性的同时，抑制自由基和H₂O₂的生成，成为近年来研究的一大难点。

       本研究以咖啡渣和工业废酸为原料，通过一步热解法制备了SiO₂纳米颗粒（NPs）修饰的Fe-N-Si-C单原子催化剂。实验表明，SiO₂ NPs均匀分布于碳骨架中，与Fe-N₄位点形成Fe-O-Si界面结构。该结构不仅有效抑制H₂O₂的生成，还显著提升催化剂的稳定性与长期耐久性：在碱性介质中经过30,000次循环后，半波电位仅衰减5 mV，远优于未修饰样品及商用Pt/C。结合实验表征，夏广杰课题组的理论计算进一步揭示了SiO₂ NPs的作用机制：Fe-O-Si键增强了OOH*中间体在Fe-N₄位点上的吸附，促进四电子路径的ORR过程，同时抑制了H₂O₂和自由基的生成。此外，密度泛函理论计算表明SiO₂ NPs还能阻止Fe单原子的团聚，稳定活性位点结构，从而显著延长催化剂寿命。这些实验与理论结果共同指向SiO₂在稳定Fe–N₄活性位点与调控反应路径方面的双重功能。

       该研究系统揭示了通过引入SiO₂ NPs提升Fe–N₄单原子催化剂耐久性的本质机理。SiO₂ NPs既能减少副产物对碳载体及金属中心的腐蚀，又能抑制单原子迁移与聚集，实现双重稳定性提升。实测在锌空气电池和质子交换膜燃料电池中，SiO₂/FeNSiC SAC催化剂展现出优异的性能与耐久性，其开路电压、功率密度和循环稳定性均优于Pt/C基准催化剂。这一发现为突破M–N–C单原子催化剂稳定性瓶颈提供了可推广的新思路。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65194-0

刘茂松博士为本文第一作者，江苏大学为本文第一单位，夏广杰研究员与孙书会院士、张建明教授、李旭研究员为本文的共同通讯作者。