Angew. Chem. ：K⁺/PDA衍生的具有K-N₄構型的S-區鉀單原子催化劑用于有效的氧還原

在許多能源裝置中，如燃料電池和金屬-空氣電池，氧還原反應(ORR)是必不可少的半反應。開發具有高效ORR活性和成本效益的電催化劑是這些能源技術實現商業化應用的關鍵。鉑族金屬（PGM）基材料的稀缺和昂貴性，促使研究者們緻力于開發無PGM的ORR電催化劑。近年來，單原子催化劑（SACs）因其高催化活性和接近100%的原子利用率而受到了廣泛關注。許多過渡金屬具有豐富的d軌道電子态，合适的d帶中心可以在催化反應中參與對中間體的吸附，從而提高催化活性。因此，相關領域的研究人員開發了各種過渡金屬基SACs。

與常見的過渡金屬元素相比，s區主族金屬元素（例如K和Mg）由于"弱化學吸附",擴大了吸附質的狀态，通常表現出離域s/p帶，從而可能導緻吸附過強（毒化吸附部位）或弱吸附（使吸附劑失活）。因而基于s區主族金屬元素作為電催化劑活性中心的研究還鮮有報道。近日，我院王勤教授等人聯合報道了一種具有K-N₄構型的s區K SAC (K-N-C)，其在堿性條件下表現出優異的ORR活性和穩定性。

作者以K⁺/PDA為前驅體，煅燒後得到N原子配位的原子分散K催化劑（K-N-C）。K-N-C催化劑在ORR中表現出良好的催化活性和穩定性。半波電位(E_1/2)高達0.908V。10,000次循環後，E1/2的變化可以忽略不計。此外，K-N-C提供了158.1 mW cm^-2的卓越功率密度和長達420小時的鋅空氣電池耐久性。

結合球差校正TEM的擴展電子能量損失精細結構（EXELFS）分析和x射線吸收精細結構（XAFS）分析确定了K-N-C中K原子的配位結構。

密度泛函理論（DFT）模拟表明雙功能活性位點的存在是K-N-C具有高催化活性的原因。*OOH被吸附在K位點，而*O和*OH中間體被吸附在K和C位點（C-N底物中）。單位點和雙位點吸附可以協同優化含氧中間體的自由能和調節速率決定步驟。 晶體軌道漢密爾頓居群（COHP）結果首次表明，與過渡金屬的d軌道和堿土金屬的p軌道不同，K的s軌道在中間産物的吸附中起主要作用。

該工作對s-區主族單原子催化劑的合理設計和催化機理研究具有重要的指導意義。