开发具有耐酸、耐高电位腐蚀以及储量丰富的析氧反应（OER）电催化剂对促进质子交换膜水电解槽（PEMWE）的广泛应用具有重要的意义。在众多非贵金属材料中，掺杂异类原子的碳材料，凭借其高导电性和耐腐蚀特性，是成本效益高的候选材料。与高电负性掺杂剂相邻的碳原子具有显著的正电荷密度，这些带正电的碳原子会随着OER中间体的吸附、转变和脱附而发生氧化还原反应，促进OER反应的发生。深入了解碳材料的OER作用机制，并建立其结构-性能的关系，尤其是掺杂剂的作用，仍然是一个迫切需要解决的问题。

近日，阿卜杜拉国王科技大学的张华彬教授课题组以氮（N）、氟（F）掺杂的碳为模型催化剂，发现P_y-N、F掺杂剂在激活碳材料OER活性方面具有重要的作用：P_y-N与F的修饰显著降低了活性碳位点从 O* 到 OOH* 的转化能垒，将OER速决步转变为 O* 的生成，从而避免了OOH*形成的热力学极限，并最终优化了OER速决步能垒。此工作阐明了异质原子在激活碳材料用于催化反应的关键作用，揭示了碳材料在催化酸性 OER 的潜力。

理论计算表明，与其他类型的掺杂剂相比，O*中间体在F，P_y-N及F/P_y-N掺杂C模型中具有更多的电子可参与到O*到OOH*的转变，从而改变了碳材料在生成OOH*中间体的固有热力学极限，是碳材料OER活性增强的起源。理论OER活性依次为F/P_y-N@C ＞ F@C ＞ P_y-N@C，并可与贵金属相媲美。结合前人对碳的同素异形体及氧（O）作为掺杂剂的研究，总结了不用异类原子的构型在激活碳材料OER活性的一般性的规律。

电子能量损失谱的元素分布测试证实了N和F在催化剂内部的均匀掺杂。结合固态核磁与X射线吸收谱，揭露了掺杂剂对碳电子结构的有效调制。其中，在N、F共掺杂的体系中，π*C-N/C-F 与 σ*C-C 的强度比最高，证实了N与F显著提高了碳位点在OER过程中的电荷传输能力。

测试结果表明，N、F共掺杂的碳具有更高的OER活性及反应动力学。其性能优于当前报道的纯碳基OER电催化剂，并可与报道的部分金属催化剂相比较。CM@NF具有最高的Py-N和F含量而具有最高OER活性。特别地，测试的F@C有效碳活性质量高于N@C，与理论计算结果一致。

在该工作中，张华彬教授团队揭示了 F 和 N 作为掺杂剂在激活碳材料催化OER反应的重要作用。具体地，F 和 P_y-N 的修饰激活了邻近的碳原子，改变了碳材料生成OOH*中间体的固有热力学极限，从而优化了能垒。该工作阐明了异质原子在激活碳位点催化OER的活性起源，为设计更高效的催化剂提供了宝贵的见解。