JACS：层间金属-金属耦合强度—单原子催化剂的关键活性位点构型与原子描述符

本文针对Fe-N-C单原子催化剂在氧还原反应中理论预测与实验观测存在长期偏差的问题，提出了一种关键的活性位点构型——层间金属-金属耦合。研究背景基于现有单层模型难以准确预测Fe-N-C催化剂活性，目的为通过引入双层Fe-Fe耦合构型解决理论与实验的不一致。通过X射线吸收精细结构表征和密度泛函理论计算，证实了(Fe-Fe)N₄构型在标准计算氢电极框架下得到的理论极限电位（0.95 V）与实验半波电位（~0.88–0.90 V）高度吻合，而传统单层模型仅0.54 V。研究进一步扩展至15种过渡金属体系，建立基于金属-金属耦合强度的模型选择判据，并利用机器学习识别出金属-金属距离和本征二聚体距离为关键描述符。实验上合成了一系列分子催化剂，验证了Fe体系耦合后性能显著提升，而Co和Ni体系无差异。结论表明，层间金属-金属耦合是单原子催化剂的关键活性位点构型，为不同金属体系的建模策略提供了明确指导，有效解决了理论预测与实验结果的长期偏差。