开发高活性低成本的氧还原（ORR）电催化剂不仅是实现质子交换膜燃料电池商业化的关键，同时也是能源领域研究的热点和难点。近年来，单原子催化剂（SACs）的兴起为解决此难题带了新的机遇。SACs拥有最大的金属利用率，确定的活性位点，可调控的电子结构，有望表现出更优异的催化活性和选择性。目前，基于金属-氮-碳（M-N-C）结构的单原子催化剂被广泛研究用作ORR催化剂，中心金属包括Fe、Co、Cu、Mn、Pt等元素。尽管取得了一定的进展，但是其性能与商业Pt/C催化剂性比仍然存在一定差距，此外对于这类型催化剂的作用机制的研究现阶段还不够深入，不利于进一步理性设计/调控催化性能。因此探寻新型的M-N-C单原子催化剂，同时深入理解构效关系，对推动燃料电池的发展以及指导高效异相催化剂的设计具有重大的意义。

近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士课题组联合温州大学王舜教授课题组与美国布鲁克海文国家实验室苏东博士课题组、美国阿贡国家实验室吴天品博士课题组合作，基于理论计算指导，设计并制备了一种均匀分散的单原子Ir-N-C（Ir-SAC）高效氧还原催化剂。高角环形暗场扫描隧道显微镜HAADF-STEM结合X射线吸收精细结构谱（XAFS）表征证实了Ir的单原子分散，与四个N原子及1个O原子结合配位形成稳定的Ir-N₄-O结构。电化学测试表明，该催化剂在酸性条件下表现出十分优异的催化活性和稳定性，其半波电位高达0.864 V，循环5000圈后性能几乎无衰减。进一步分析表明，该催化剂拥有超高的质量活性（12.2 A mg^-1_Ir）以及转化频率（TOF: 24.3 e^- site^-1 s^-1），远高于文献报道的其他单原子催化剂以及商业Pt/C催化剂。值得注意的是，商业Ir/C-Com（Ir纳米粒子）和自制Ir/C（单原子Ir和Ir团簇并存）表现出可忽略的ORR活性，推测出Ir的配位环境决定了其催化剂性能。这一推论也被密度泛函理论计算（DFT）得到验证。DFT计算结果表明Ir-N₄的特定结构修饰了Ir的电子结构，使得ORR中间物种在Ir的吸附能适中，从而使其具有最优的催化性能。

该研究不仅提供了一种新型高效的ORR催化剂，同时也揭示了配位环境-电子结构-催化活性之间的内在联系，为其他电催化催化剂的合成制备与机理探讨也有重要的指导意义。相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition。