非贵金属Fe-N-C催化剂具有低成本和碱性环境中电催化性能优异的特性，有望替代贵金属Pt催化剂用于燃料电池。然而，Fe-N-C催化剂在酸性溶液中的催化活性较低，提高其在酸性介质中的氧还原活性仍是一个巨大的挑战。最近，中科大熊宇杰教授、杭州师范大学高鹏教授、复旦大学陈萌副教授等团队以金属有机框架ZIF-8为炭前驱体，以含有不同铁原子数目的前驱体为Fe源，通过原位掺杂和高温煅烧工艺制备了Fe-N-C催化剂。在ZIF-8的生长过程中铁前驱体被原位包覆到ZIF-8内部，采用不同铁原子数目的Fe前驱体，可以分别精准得到负载不同铁原子数目的Fe1、Fe2和Fe3团簇的Fe-N-C催化剂，同步辐射表征技术结合球差校正电镜数据证实了这一结果。测试它们在酸性介质中的氧还原活性发现，Fe2-N-C催化剂具有最优的催化活性和很好的循环稳定性，接近商业铂碳催化剂，其半波电位为0.78V，20000圈循环后半波电位仅降低了20mV。作者通过低温红外证实了O2分子在Fe1位点为超氧态吸附，而在Fe2和Fe3位点为过氧态吸附，氧气分子活化程度被提高。而且，作者发现通过改变铁原子团簇中原子数目可以调控氮的种类和相对含量，随铁原子数目从Fe1提高到Fe2和Fe3，吡啶氮的含量逐渐提高，而石墨化氮和吡咯氮含量相应地逐渐降低。这是因为铁团簇中Fe原子数目增大提高了其催化碳石墨化的能力，而且不同原子数目的团簇会形成不同配位的Fe-N配位结构。该工作实现了铁原子团簇中原子数目和掺杂N种类与含量的精准调控，为设计在酸性环境中高活性、高稳定性的燃料电池催化剂提供了新的方法。Wei Ye, Shuangming Chen, Yue Lin, Li Yang, Sijia Chen, Xusheng Zheng, Zeming Qi, Chengming Wang, Ran Long, Meng Chen*, Junfa Zhu, Peng Gao*, Li Song, Jun Jiang, Yujie Xiong*. Precisely Tuning the Number of Fe Atoms in Clusters on N-Doped Carbon toward Acidic Oxygen Reduction Reaction. Chem, 2019.DOI: 10.1016/j.chempr.2019.07.020https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30329-8