科学网—河南理工大学王燕/薛冬萍等综述：用于高效氧电催化的非对称双原子位点工程

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2026-4-26 18:05

| 系统分类: 论文交流

Engineering of Asymmetric Dual‑Atom Sites for Effective Oxygen Electrocatalysis

Dongping Xue, Yu Zhao, Jianliang Cao, Yan Wang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 316

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02155-2

本文亮点

1. 建立非对称双原子催化剂(ADASCs)多维性能调控机制：系统建立非对称双原子位点催化剂(ADASCs)结构-电子-自旋-轨道-电荷全维度性能优化框架，阐明异核协同、桥连配体锚定、d带中心调控、自旋耦合等核心机制，为理解非对称催化行为提供理论基础。

2. 提出非对称结构精准构筑策略：聚焦异核金属中心设计与杂原子非对称配位工程，精准打破电场与结构对称性，实现双原子间距、配位环境、电子分布的原子级可控，攻克传统催化剂难以兼顾活性与稳定性的难题。

3. 揭示非对称构型与氧电催化构效关系：揭示非对称构型与ORR/OER的内在关联，证实其可打破氧中间体吸附线性标度关系，优化反应路径与关键中间体吸附行为，在锌-空气电池、燃料电池、电解水等器件中实现性能跨越式提升。

研究背景

全球能源转型与“双碳”目标下，燃料电池、金属-空气电池、电解水等可持续能源器件成为核心支撑，但其核心反应氧还原(ORR)与氧析出(OER)动力学缓慢、过电势高，严重制约能量转换效率。单原子催化剂(SACs)原子利用率高，但金属负载低、位点孤立、吸附单一，难以突破多步反应线性标度关系( LSR )。对称双原子催化剂(SDASCs)虽有协同效应，但电子环境均一，仍无法同时优化多种中间体吸附。非对称双原子位点催化剂(ADASCs)兼具高原子利用率、双中心协同与结构/电子非对称优势，可实现定向电子转移、自旋态精准调控、轨道杂化优化，成为突破氧电催化固有瓶颈的理想体系，但其系统性调控机制与精准构筑策略亟待完善。

内容简介

近日， 河南理工大学王燕教授团队 系统综述非对称双原子位点催化剂(ADASCs)在高效氧电催化领域的前沿设计与应用进展。文章立足对称性破缺核心思路，从多维性能调控机制、非对称结构精准构筑、先进表征技术、氧电催化应用、挑战与展望五大维度，全面梳理ADASCs从理论设计到实际应用的全链条创新成果。重点阐述异核金属耦合、杂原子配位调控、桥连配体锚定等策略如何优化电子结构、提升活性位点密度、强化金属-载体相互作用；系统总结AC-HAADF-STEM、XAFS、原位谱学等原子级与动态表征技术在机制解析中的关键作用；深入论证ADASCs在ORR、OER及双功能催化中突破线性标度关系、降低过电势、提升稳定性的核心优势。本文首次以非对称为统一主线，构建完整的ADASCs设计-机制-应用体系，为开发高活性、高稳定、低成本的下一代氧电催化剂提供科学指导与技术支撑，助力清洁能源器件产业化升级。

图文导读

I 催化体系迭代：从单原子到非对称双原子的革命性跨越

图1直观呈现单原子、对称双原子、非对称双原子催化剂的演化脉络与核心差异。单原子位点功能单一，对称双原子电子分布均匀，均无法适配氧电催化多步反应需求；ADASCs通过异核金属或非对称配位打破电子云对称分布，形成定向电子转移与差异化吸附，从根源突破线性标度关系限制，完成从“单中心调控”到“双中心协同非对称调控”的范式升级。

图1. SACs、SDASCs与ADASCs的分类与特征。

II 六大核心机制：非对称催化性能跃升的科学根基

提升活性位点密度 ：高分散高密度双原子位点，提升本征活性与质量活性，降低贵金属用量。

强化 锚定效应 ：配位键+空间限域双重作用，抑制原子迁移团聚，稳定非对称结构。

精准调控d带中心 ：异核效应、应力与配体场协同，实现中间体最佳吸附能。

优化自旋构型 ： 自旋耦合 与超交换作用提升自旋匹配效率，显著降低反应能垒。

增强轨道杂化与能级匹配 ：d-d/p-d轨道强耦合，平衡电子转移与吸附-脱附动力学。

调控电荷态与本征电导 ：电负性差驱动定向电子转移，构建连续高效导电通路。

图2. ADASCs优化自旋态。

III 两大精准构筑策略：解锁非对称结构的核心钥匙

非金属杂原子配位调控(S/P/O/B/N)：取代传统M-N4中N原子，破坏对称配位场，诱导电荷重排，形成FeCo-N₃O₃、Fe₂S₁N₅等Janus型非对称双位点，实现电子结构精准定制。

图3. 通过非金属杂原子构建不对称结构。

异核金属中心设计(Fe-Co、Fe-Nb、Fe-Mn等)：利用电负性、原子半径、d轨道差异构建非对称电子结构，采用分步锚定、双溶剂吸附、原子层沉积等方法，避免团聚，精准控制双原子间距与配位环境。

图4. 通过异核金属原子构建不对称结构。

IV 先进表征技术：从原子结构到动态催化的全维度解析

非对称双原子的精细结构与催化机制依赖多技术联用：AC-HAADF-STEM直接观测双原子对；XAFS精准解析配位、键长、价态；EPR、 穆斯堡尔谱 揭示电子分布与自旋态；原位Raman/FTIR/EC-MS实时追踪中间体、结构重构与反应路径，完整解析非对称结构催化全过程。

图5. 双原子位点催化剂的表征技术。

V 氧电催化应用：ORR/OER 双功能性能全面突破

ORR催化 ：非对称构型促进O=O桥吸附与直接裂解，实现高效4e⁻还原，酸性工况性能逼近Pt/C。

图6. ADASCs的设计与ORR性能研究。

OER催化 ：非对称位点分别调控多步中间体吸附，打破标度关系，突破传统催化剂稳定性瓶颈。

图7. ADASCs的设计与OER性能研究。

双功能催化：Janus型非对称双位点分别高效催化ORR与OER，电位差小，适配锌-空气电池与柔性器件，实现超长循环与高功率密度。

VI 总结

本文系统构建了非对称双原子位点催化剂的设计原理-调控机制-构筑策略-催化应用完整体系，证实非对称结构是突破氧电催化线性标度关系、提升本征活性与长期稳定性的核心路径。机制上，六大协同调控实现电子、自旋、轨道、电荷全方位优化；结构上，异核金属与杂原子配位实现非对称精准构筑；应用上，ADASCs在ORR、OER及双功能催化中全面超越传统催化剂，为清洁能源器件提供核心催化方案。当前ADASCs仍面临精准可控制备、酸性工况稳定性、动态机制解析等挑战，未来需围绕高均一性合成、原位动态表征、高稳定界面工程、AI辅助设计协同发力，推动高效、稳定、低成本非对称双原子催化剂在燃料电池、金属-空气电池、电解水等领域的规模化应用，为全球能源转型与碳中和目标实现提供关键技术支撑。

图8. ADASCs面临的挑战与机遇概述。

作者简介

薛冬萍

本文第一作者

河南理工大学 讲师

▍ 主要研究 领域

碳基纳米能源催化材料、氢能转化与利用、电化学催化反应机制研究

▍ 主要研究成果

硕士生导师，2024年于郑州大学获得博士学位。主要研究方向为先进功能材料的设计、构筑及在电化学能源催化中的催化机制和应用研究。入选中原英才计划-中原青年博士后创新人才；主持中国博士后国资计划B、博后面上等省部级项目3项。以第一作者在Nat Commun.、Adv Mater.、Adv Energy Mater.、Nano-Micro Lett.等期刊发表SCI论文20余篇。

▍ Email： dongpingxue@hpu.edu.cn

王燕

本文通讯作者

河南理工大学 教授

▍ 主要研究 领域

新能源(储能)安全监测与预警、能源与环境催化材料及技术、危化品智能识别与传感检测等

▍ 主要研究成果

博士生导师，河南理工大学安全科学与工程学院副院长(主持工作)，河南省高校科技创新团队带头人、河南省高校科技创新人才、河南省劳模工匠创新工作室负责人、河南省教育厅学术技术带头人、河南省高等学校青年骨干教师、焦作市优秀教师、河南理工大学“元培学者”、河南理工大学杰出青年等，连续入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家“年度科学影响力排行榜”(2020-2025)。主持承担国家自然科学基金项目4项、国家重点研发计划青年科学家专项项目任务1项，河南省重点研发专项项目、河南省自然科学基金-优秀青年基金等省部级项目10余项，军工项目和企业委托项目多项；第一和通讯作者发表学术论文百余篇；出版学术专著2部；授权国家发明专利近20项；荣获全国煤炭青年科技奖，全国高校矿业石油安全工程领域优秀青年科技人才奖，绿色矿山青年科技奖，首批黄河教育智库专家(2023)，河南省侨界贡献奖(个人)，河南省煤炭学会最美煤炭科技工作者(2023)，河南省自然科学二等奖1项(第1)，中国煤炭工业科技一等奖1项、二等奖1项(第1)，绿色矿山科学技术二等奖1项(第1)，河南省自然科学优秀工程技术一等奖1项(第1)、河南省科技进步三等奖1项等奖励。

▍ Email： yanwang@hpu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/4082

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