电子和物质能否进入电极材料的催化活性位点在电催化中起着至关重要的作用。近年来，单原子催化剂以其独特的结构和性能引起了人们的广泛兴趣。电催化氧还原反应(ORR)，这是金属-空气电池和燃料电池中的一个重要反应。
然而，尽管到目前为止已经做了相当大的努力，单原子催化剂的ORR性能还远不及预期。一方面，人工合成的单原子金属中心大多采用平面M-Nx结构，电子结构不理想，不能有效地吸附/解吸中间体以降低能垒，从而在很大程度上造成低效的电子转移和质量传输；另一方面，金属中心周围微环境中的物种(OH–，O2等)局部浓度低，导致分子扩散和碰撞不足，通过催化剂层的质量输送差，导致反应动力学缓慢。
由于ORR催化作用发生在三相微环境(催化剂-电解质-O2)中，调节电化学活性中心的界面微环境(电子结构、电场、离子浓度等)可能为控制催化活性提供有力的手段。
近日，中国海洋大学侯春朝、同济大学张弛、南方科技大学徐强、北京大学邹如强和青岛大学曹爽等利用F127胶束，通过有机自组装的方法，将富集的弯曲FeN4中心引入到层状多孔中空碳球中(cc-Fe)。三聚氰胺树脂球(MF)表面的F127胶束经过控制热解和刻蚀工艺后，可以原位生成包含许多洋葱状弯曲碳层的纳米气泡碳结构，这些碳层位于微尺度空心碳球表面。
理论和实验结果表明，弯曲结构可以优化电子结构的微环境和催化剂的电场，促进电子转移从Fe中心到O2*，从而有利于实现O2*质子化，降低催化过程中决速步的能垒。有限元模拟证实，表面纳米弯曲诱导的强烈局部静电场可促进传质，从而增强质子偶合电子转移反应过程的动力学。
得益于这些优点，cc-Fe催化剂表现出优越的ORR活性，半波电位(E1/2)为0.866 V，与商业Pt/C相当(E1/2=0.867 V)。同时，CV循环50000次后，cc-Fe的E1/2仅下降9 mV。
利用cc-Fe作为空气阴极组装的可充电Zn-空气电池的开路电压为1.57 V，在308 mA cm-2电流密度下显示出210 mW cm-2的峰值功率密度，在5 mA cm-2时的比容量达到811 mAh gZn-1 (理论容量约为820 mAh gZn-1，Zn利用率为98.9%)。此外，基于cc-Fe的具有多孔气体扩散电极的硬币型电池，在790分钟的充放电循环中表现出良好的稳定性，显示出巨大的应用潜力。
综上，该项研究通过对催化剂的几何结构进行简单的曲线化处理，揭示了微环境调控的有利影响，为创造可持续能源转化的先进稳健催化剂开辟了一条新的途径。
Surface-nanocurvation-induced microenvironment regulation capable of controlling the activity of single-atom electrocatalysts. Advanced Functional Materials, 2025. DOI: 10.1002/adfm.202424401
