近日，深圳大学材料学院隋旭磊副教授联合哈尔滨工业大学王振波教授等研究团队围绕Fe–Co双原子位点的Janus效应，在能源催化与钠离子储能领域取得系列研究进展。团队在《Nat. Commun.》发表题为“Janus effect of FeCo dual atom catalyst with Co as active center in acidic oxygen reduction reaction”的研究论文，深圳大学已毕业硕士生袁隆基、隋旭磊副教授和哈尔滨工业大学苗震雨为共同第一作者，深圳大学隋旭磊副教授、淡江大学王孝祖副教授、哈尔滨工业大学张国旭副教授、王振波教授为论文通讯作者。同时，在《Angewandte Chemie International Edition》发表题为“FeCoN6 Sites Unlock Superior Sodium-Ion Storage Through Synergizing Capture-Release and Orbital-Mediated Charge Delocalization”的研究论文，深圳大学封文亮副研究员和徐慧芳博士后为论文共同第一作者，深圳大学隋旭磊副教授和哈尔滨工业大学王振波教授为论文的通讯作者。深圳大学均为第一通讯单位。
在能源转换与储能器件中，许多关键反应都发生在材料表面极小的活性位点上。传统单原子催化剂能够最大限度提高金属原子的利用率，但单个金属中心往往需要同时承担“吸附、活化、转移、释放”等多个任务，容易出现“抓得太紧”或“抓得太松”的问题：抓得太紧会阻碍中间体脱附或离子迁移，抓得太松又难以有效活化反应物。这一矛盾长期限制了燃料电池阴极氧还原反应和钠离子储能负极的动力学性能。双原子催化剂为解决这一难题提供了新的思路。与单原子位点不同，双原子位点中两个相邻金属原子既能保持原子级高利用率，又能通过电子耦合实现不同的功能分工。类似古罗马神话中拥有“双面形象”的Janus，异核双原子位点的一侧可以负责捕获或稳定关键中间体，另一侧则负责快速催化转化或离子释放，从而在一个原子级结构中实现“分工协作”。
成果一面向燃料电池阴极酸性氧还原反应，氧还原反应是燃料电池发电过程中的关键步骤，其反应速率直接影响燃料电池的输出功率。团队通过分子螯合与离子耦合策略，构筑了具有强Fe–Co键合的双金属Fe–Co双原子催化剂（图1）。原位X射线吸收谱、原位红外光谱和理论计算共同表明，在Fe–Co双原子位点中，Fe和Co并不是简单“相加”，而是形成了明确的Janus式分工：Fe原子优先稳定吸附OH中间体，进而调节相邻Co原子的电子结构；Co原子则作为主要催化中心，持续完成四电子氧还原反应。通过这种分工协作，反应决速步由困难的OH脱附转变为*OOH形成，理论过电位由1.14 V降低至0.43 V。该催化剂在酸性条件下半波电位达到0.852 V，在H2–O2燃料电池中实现1.14 W cm-2的功率密度，并在10,000次循环后保持81%的峰值功率，展现出优异的活性与耐久性。
图1 a-c，球差-高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜电镜图；d，图c蓝色标记区域球差电镜电子能量损失谱；e，催化剂燃料电池氢气氧气膜电极加速老化试验前后功率密度电极电压极化曲线；f，Fe–Co双原子位点的Janus效应促进酸性氧还原反应示意图
成果二进一步将Fe–Co双原子Janus分工思想拓展到钠离子存储领域。钠离子资源丰富、成本较低，钠离子混合电容器兼具电池高能量密度和超级电容器高功率特性，但其负极常面临钠离子扩散慢、界面电荷转移迟缓等瓶颈。研究团队设计了FeCoN6双原子位点，使Fe和Co在原子尺度上形成“捕获-释放”协同路径（图2）。Fe位点提供较强Na+捕获能力，Co位点提供相对较弱的迁移/释放通道。同时，Fe–Co之间强d–d轨道耦合诱导轨道介导的电荷离域效应，使整体d带中心下移，降低Na+结合强度，降低扩散势垒。理论计算显示，FeCoN6位点的Na+迁移能垒为0.42 eV，低于FeN4的0.57 eV和CoN4的0.53 eV。得益于这一双重协同机制，FeCo–N–C负极表现出赝电容主导的快速钠离子存储行为，在10 A g-1下仍具有225 mAh g-1的高倍率容量。组装的FeCo–N–C||AC钠离子混合电容器实现165 Wh kg-1的高能量密度，在9424 W kg-1的高功率密度下仍保持108 Wh kg-1，并在10,000次循环后保持90%的容量，显示出良好的应用潜力。
图2 a，FeCoN6双原子位点轨道调控作用示意及d带中心对比；b，不同位点对Na+的吸附行为及吸附能对比；c，不同原子位点中Na+迁移路径及扩散能垒对比；d，钠离子混合电容器能量密度和功率密度对比；e，钠离子混合电容器长循环稳定性
两项研究从不同能源场景出发，回答了同一个核心科学问题：如何让原子级活性位点既能“抓得住”，又能“放得快”。在酸性氧还原反应中，Fe–Co双原子位点通过“Fe稳定*OH、Co负责主反应”的Janus分工，突破了单一活性中心难以兼顾中间体吸附与释放的限制；在钠离子存储中，FeCoN6位点通过“Fe捕获、Co释放”和电荷离域调控，为Na+构建了低能垒迁移通道。两项成果相互衔接，表明Fe–Co双原子位点的Janus效应不仅适用于催化反应，也可拓展到离子存储过程，为高效燃料电池催化剂和高功率钠离子储能材料的设计提供了新的原子级调控策略。
项目支持：
相关工作得到了国家自然科学基金委员会，深圳市高水平团队项目，深圳市科技计划项目，广东省基础与应用基础研究基金，山东省重点研发计划，黑龙江头雁团队项目，中央高校基本科研业务费等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62728-4
https://doi.org/10.1002/anie.202525480
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