DC DSR数字型旋转圆盘电极测试：扭曲铁单原子催化剂高效 ORR 性能与机制
近日，三峡大学、中国地质大学（武汉）、北京大学、武汉纺织大学等联合研究团队在《Advanced Energy Materials》发表了铁单原子电催化剂用于氧还原反应的最新研究成果。
本研究核心表征技术：DC DSR数字型旋转圆盘圆环电极（RRDE）被用于精准测定 ORR 电子转移数、H₂O₂产率与反应选择性，为性能结论提供关键实验支撑。
研究通过硫原子配位调控策略显著提升催化性能，所制备的催化剂在碱性与酸性条件下均表现出优异氧化还原活性，并且组装的锌 - 空气电池展现出更高的功率密度与循环稳定性，为低成本、高稳定燃料电池与金属 - 空气电池阴极催化材料提供了高效新方案。
第一作者：谢玉华
通讯作者：杨泽慧等
论文单位：三峡大学、中国地质大学（武汉）、北京大学、武汉纺织大学
论文DOI：10.1002/aenm.71096
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一、研究背景与成果
传统铁单原子催化剂（Fe-N₄）结构太对称、电子不稳定，反应效率上不去。
团队把1 个N换成S，做成Fe-N₃S/SNC，打破对称、让硫当 “电子缓冲垫”，实现：
半波电位 0.924 V vs. RHE，比 Pt/C 高 62 mV 动力学电流是 Pt/C 的5.8 倍 锌 - 空气电池功率密度达231.8 mW cm⁻²，远超商用器件 全程四电子反应，副产物 H₂O₂极少，稳定性极强
二、实验方法
本研究所有 ORR 选择性、电子转移数、H₂O₂产率均在DC DSR上完成，实验流程与参数如下：
1. 实验装置与体系
- 测试体系：常规三电极体系
- 工作电极：旋转圆盘圆环电极（RRDE），中心盘为玻碳电极，环为铂环
- 参比电极：Hg/HgO（碱性）、Ag/AgCl（酸性）
- 对电极：石墨棒 / 铂片
- 电解液：碱性1 M KOH，酸性0.1 M HClO₄
- 通气：高纯 O₂饱和（测试前通气≥30 min）
2. 催化剂制样与涂覆
取催化剂、炭黑、Nafion 溶液混合，超声分散为均匀墨水 取定量墨水滴涂于 RRDE 中心盘，自然干燥 催化剂负载量严格控制，保证对比公平
3. RRDE 测试参数
盘电极扫描速率：10 mV s⁻¹ 旋转转速：1600 rpm 环电极恒定电位：1.5 V vs. RHE（用于氧化检测 H₂O₂） 测试曲线：线性扫描伏安曲线（LSV） 背景扣除：N₂氛围下测试基线并扣除
4.数据计算公式
三、关键结果
1. 碱性条件 ORR 选择性
- 电子转移数：3.84，接近理想四电子路径
- H₂O₂产率：仅1.6%，几乎无有害副产物
- 稳定性：5000 圈循环后，电子转移数与 H₂O₂产率几乎不变
2. 酸性条件 ORR 选择性
- 电子转移数：3.91，完美四电子路径
- H₂O₂产率：2.2%，远低于 Fe-N₄/NC
对比：常规 Fe-N₄/NC 仅3.07 电子，副产物大量生成
3. 结论：RRDE 证明了什么？
Fe-N₃S/SNC以四电子ORR路径为主导（n≈3.84–3.91），能量转化效率接近理论极限H₂O₂副产物被抑制，极大提升催化剂寿命与电池安全性；扭曲结构+硫的电子缓冲效应，优化氧中间体吸附/脱附平衡，真正稳定了反应路径性能优于商用Pt/C，具备燃料电池与锌-空气电池应用潜力。
研究通过硫原子配位取代策略破缺Fe-N₄的D₄ₕ对称结构，构筑Fe-N₃S/SNC单原子催化剂，在碱性氧还原反应中展现出优于商用Pt/C的活性与稳定性，并用DC DSR证明：
反应以四电子路径为主导，H₂O₂副产物产率低直至1.6%-2.2%；
碱性介质中活性与稳定性优于Pt/C；酸性介质中E₁/₂达0.802 V vs. RHE，接近Pt/C水平（0.844 V）；
液态锌-空气电池功率密度达231.8 mW cm⁻²，全固态器件达134.9 mW cm⁻²，循环寿命超150 h；
该成果为低成本长寿命燃料电池与锌-空气电池提供了原子级设计新思路。
一句话概括：
通过硫配位打破铁单原子的对称"电子笼"，稳定其eg轨道电子态，使碱性氧还原活性与器件性能均优于商业铂碳。