金属单原子催化剂，即在合适载体上分散孤立的单金属位点型催化剂，已成为材料和催化科学的一个新兴前沿领域。设计与调节金属中心的局部结构，是实现金属单原子催化剂高活性和高选择性的关键。这类催化剂综合了均相和多相催化剂的优点，从而在各类催化反应中表现出超高的活性和选择性。其中，碳材料负载具有原子级分散金属-氮位点的单原子催化剂，是能源相关催化反应的理想候选品。

为了进一步提高碳材料负载单金属位点催化剂(M-N_x/C)的活性，科研人员已开发出各种策略。大量工作致力于设计单原子催化剂的配位数、配位原子、环境原子、轴向客体基团等，以调节金属位点的本征活性和选择性，从而实现预期应用。然而，上述策略主要集中在平面结构的金属-氮位点上。对于单金属位点的三维局部结构调控，目前仍然缺乏研究与讨论。

中国科大吴宇恩教授联合华中科技大学等课题组报导了一种螺旋状单原子铁-氮位点的应变工程以促进电催化活性。首先，以自组装手性表面活性剂为聚合模板制备出螺旋型聚吡咯。再通过热解处理获得右旋螺旋状单原子铁催化剂(D-Fe SAC)。

图1. (a) D-Fe SAC的合成过程示意图；D-Fe SAC的(b) SEM图，(c) TEM图，(d) HAADF-STEM图，(e)元素映射图；(f,g) D-Fe SAC和(h,i) LD-Fe SAC的像差校正HAADF-STEM图。

右旋螺旋状单原子铁催化剂(D-Fe SAC)的特点为在螺旋状高曲率中空碳纳米纤维上负载大量的单分散Fe-N₄位点，从而在弯曲Fe-N₄位点处引入压缩应变效应。因此，与非螺旋LD-Fe SAC相比，D-Fe SAC具有更高的ORR活性 理论计算表明，弯曲结构和压缩应变可以调节Fe-N₄位点的电子状态，从而降低ORR能垒。

图2. (a) D-Fe SAC和LD-Fe SAC的N 1s XPS光谱；D-Fe SAC, LD-Fe SAC, Fe箔, Fe₂O₃样品的(b) Fe K-edge XANES光谱，

(c) FT-EXAFS光谱，(d)小波变换结果；(e) D-Fe SAC和LD-Fe SAC的EXAFS拟合结果。

该研究不仅提供了一种有效的方法，即通过应变工程来调节单原子金属位点的局部结构并提高其催化活性，而且这种策略也可应用于其它化学和生物领域。研究成果发表在ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION上。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金等经费来源的支持。（文/图 中国科大）