原子尺度的细微结构差异，可能对清洁能源关键反应的催化效率与产物路径产生决定性影响。东北大学研究人员在一项最新研究中指出，单个钴原子周围的精确配位环境会显著改变其在氧还原反应（ORR）中的催化行为。氧还原反应是燃料电池运行以及可持续过氧化氢生产的重要过程。

单原子金属-氮-碳（M-N-C）催化剂被视为铂基催化材料的潜在低成本替代方案，但金属中心周围氮原子的数量与排列方式如何影响催化活性与选择性，长期以来难以被准确厘清。研究团队认为，关键障碍在于难以合成结构精确定义的催化剂，从而限制了结构与性能之间的直接对照。

为实现对活性位点的可控构筑，研究人员将结构明确的有机金属钴配合物沉积在催化惰性的碳纳米管基底上，构建出一系列异质分子催化剂。该方法使团队能够严格控制第一配位壳层的配位数，制备出Co-Nx（x分别为3、4和5）的活性位点。

研究人员选取了四种具有不同配体对称性的分子前体，用于系统调节钴中心的配位环境。通过对比非对称与对称结构，团队得以将原子构型差异与电催化性能变化进行对应。

电化学测试结果显示，不同配位结构在氧还原反应中的表现存在明显差异：非对称的Co-N3位点呈现更高的整体氧还原反应活性；低对称性的Co-N5中心则在两电子反应路径上表现出最高选择性，更有利于过氧化氢生成；相较之下，对称的Co-N4结构活性相对较低。

研究团队表示，密度泛函理论（DFT）计算与实验观察高度一致，对所提出的结构—活性关系形成验证。结果表明，即便配位对称性发生细微变化，也可能显著改变反应能量学与产物选择性。

此外，原位光谱学研究与动力学分析进一步指出，在非对称Co-N3与Co-N5位点中，配位壳层内的碳或氮原子在反应过程中可能发生质子化并充当“质子中继”，配位壳层的动态参与被认为与其更优的催化表现相关。

东北大学WPI-AIMR杰出教授李昊在研究中表示，催化性能不仅取决于金属原子本身，也取决于其直接配位环境的结构；通过对该环境进行精确设计，可以调节可再生能源技术所需的活性与选择性。

研究团队称，本研究的实验与计算数据已通过数字催化平台公开发布，以支持透明度并促进催化剂创新。相关成果已发表于《美国化学会杂志》。