近日，我院姜艳霞教授/孙世刚院士团队与重庆大学张斌伟副教授在单原子催化剂（SACs）可控合成领域取得创新性进展，相关研究成果以“Low-Temperature Pyrolysis: A Universal Route to High-Loading Single-Atom Catalysts for Fuel Cells”为题发表于Advanced Materials。
单原子催化剂因其极限原子利用率与可调电子结构，在电催化领域展现出巨大潜力。然而，传统高温热解（HTP）路径中，金属前驱体（如FeCl2）需经历“金属盐→氧化物/金属→单原子位点”的多步相变（FeCl2 → FeOx/Fe → Fe-N4），需克服极高活化能垒，迫使反应依赖高温（>900 °C）驱动。但高温环境不仅能耗巨大，更会加剧金属原子团聚（奥斯特瓦尔德熟化效应），导致单原子负载量普遍低于2 wt.%，严重制约其实际应用。
为突破上述瓶颈，研究团队发展了一种低温熔盐离子交换策略，通过LiCl/KCl熔盐介质中动态迁移的过渡金属离子（Fe2+、Co2+等）与氮掺杂碳（NC）载体上的Zn²⁺直接置换，在450 °C低温下一步形成高密度、原子级分散的M-N4活性位点。该策略构建了类似“离子熔池”的反应环境，使Fe2+能够直接取代Zn-N4位点的Zn2+，绕过高能耗的氧化物还原步骤，从源头抑制金属团聚。基于该方法制备的催化剂，单原子金属负载量达到3.7-4.7 wt.%，较传统方法提升2倍以上，且适用于Fe、Co、Cu、Ni等多种金属。特别是所合成的Fe4.5-NC/MS-450催化剂在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中表现出优异活性，峰值功率密度达1.12 W cm-2（1.0 bar，80 °C），为高效燃料电池催化剂设计提供了新思路。
该工作由姜艳霞教授、孙世刚院士与重庆大学张斌伟副教授共同指导完成，我院博士后程晓阳为第一作者，理论计算部分由重庆大学杨健副教授完成。该研究工作得到国家博士后创新人才计划（BX20240206）、国家自然科学基金（22288102、22172134、22279011）和福建省科技计划项目（2022H0002）的资助。北京同步辐射装置（1W1B、4B7B 和 4B9B 光束线站，BSRF）和上海同步辐射装置（SSRF）在表征方面提供了帮助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202501707
