笔名 Bohan Kang
- 【导读】
锌空气电池因具有高理论能量密度、低成本和高安全性，被认为是极具潜力的新一代储能器件。然而，其空气阴极中的氧还原反应（ORR）动力学缓慢，严重限制了电池的实际输出性能。目前商业 Pt/C 催化剂虽然活性较高，但存在成本高、稳定性不足等问题，因此开发高效、稳定的非贵金属 ORR 催化剂具有重要意义。
铁基单原子催化剂中的 Fe−N4 位点被认为是最具代表性的 ORR 活性中心之一，但孤立 Fe−N4 位点仍面临氧中间体吸附调控不足和传质受限等问题。本研究提出了一种跨尺度协同设计策略，将 Fe−N4 单原子位点与 Fe3C 纳米颗粒共同嵌入三维介孔碳纳米花框架中，构筑了 FeSA/Fe3CNP@CNF 催化剂，实现了活性位点电子结构调控与氧气传输优化的同步提升。
二、【成果掠影】
本研究通过 MCA 模板辅助和 PDA 衍生碳化策略，成功制备出具有三维纳米花结构的 FeSA/Fe3CNP@CNF催化剂。该结构中，Fe−N4 位点作为主要 ORR 活性中心，Fe3C纳米颗粒则通过界面电子耦合作用调节邻近 Fe−N4位点的电子结构，促进氧分子吸附与活化。
与此同时，三维介孔碳纳米花框架提供了开放的氧气传输通道和丰富的活性位点暴露界面，有效缓解了传统微孔碳材料中氧扩散受限的问题。得益于这种“Fe−N4/Fe3C 活性微区 + 介孔纳米花框架”的跨尺度协同结构，FeSA/Fe3CNP@CNF 表现出优异的 ORR 性能，半波电位达到 0.921 V vs. RHE，明显优于商业 Pt/C。
在锌空气电池测试中，基于 FeSA/Fe3CNP@CNF的空气阴极实现了 199.1 mW cm−2 的峰值功率密度，并保持超过 500 h 的循环稳定性。进一步的原位光谱、传质分析和理论计算表明，Fe3C 可优化 Fe−N4位点的电子结构并降低氧气活化能垒，而介孔碳纳米花结构则显著提升氧气扩散和活性位点利用率。
三、【核心创新点】
（1）构筑了 Fe−N4 单原子位点与 Fe3C 纳米颗粒协同存在的活性微区，实现了 Fe 位点电子结构的有效调控。
（2）设计了三维介孔碳纳米花框架，增强氧气传输、活性位点暴露和催化层传质效率。
（3）提出“微观电子调控 + 宏观传质优化”的跨尺度协同策略，实现 ORR 活性和锌空气电池性能同步提升。
四、【数据概览】
图1. (a) FeSA/Fe3CNP@CNF的制备过程示意图。(b) SEM图像，(c-d)高分辨透射电镜图像，(e) AC-HAADF-STEM图像，(f) AC-HAADF-STEM图像衍生的三维表面重构，(g)原子间距分布直方图，(h) FeSA/Fe3CNP@CNF的EDS元素分布图。(i) O2-TPD曲线和(j)所制备催化剂的BET孔径分布。
图2. (a) 制备催化剂的XRD图谱，(b) 拉曼光谱。(c) 不同催化剂的相对N含量。(d) 制备催化剂的Fe 2p XPS谱图。(e) 以FePc、Fe箔和Fe2O3为参比的FeSA/Fe3CNP@CNF在Fe K-edge的XANES谱。(f) R空间的FT-EXAFS谱及(g-i) 以FePc和Fe箔为参比的FeSA/Fe3CNP@CNF的WT-EXAFS谱。
图3. (a) 样品在O2饱和的0.1 M KOH溶液中1600 rpm转速下的LSV曲线。(b) 塔菲尔斜率图，(c) FeSA/Fe3CNP@CNF在不同转速下的ORR极化曲线（插图：K-L曲线）。(d) 0.85 V电位下半波电位(E1/2)与动力学电流密度(Jk)的汇总。(e) 稳定性测试，(f) 在0.1 M KOH溶液中的甲醇耐受性测试。(g) 所研究催化剂的D(O2)值对比。(h) 电流密度随扫描速率变化的关系图。(i) FeSA/Fe3CNP@CNF的半波电位(E1/2)与极限电流密度(JL)与已报道ORR催化剂的性能对比。
图4. (a,b)制备催化剂的DRT分析。(c)ZLC O2解吸曲线(插图为相应的扩散时间常数)，(d,e)随时间变化的O2气泡传输行为，(f)SD质量与SDBET，(g)O2传输示意图，(h) FeSA/Fe3CNP@CNF和对比催化剂在20至100毫秒内O2浓度分布的有限元模拟。
图5. (a-b)基于有限元分析的FeSA/Fe3CNP@CNF和对比催化剂模型上总还原物种的模拟分布。(c-e)在不同电位（vs. RHE）下，1000-4000 cm−1和1000-1300 cm−1范围内的原位ATR−SEIRAS光谱及对应等高线图像。(f) Fe 3d轨道、C 2p轨道和N 2p轨道的态密度分析。(g) FeSA/Fe3CNP@CNF的电荷密度差及Bader电荷分析。(h) 碱性溶液中FeSA/Fe3CNP@CNF催化剂表面ORR过程的机理示意图。(i) U=0V和U=1.23V时ORR反应的自由能计算图。
图6. (a) ZAB结构配置的示意图。(b) 开路电压曲线，(c) 放电极化曲线及相应的功率密度，(d) 基于FeSA/Fe3CNP@CNF和Pt/C制备的ZAB在50 mA cm−2电流密度下的电压-容量曲线（比容量按消耗锌的质量归一化）。(e) FeSA/Fe3CNP@CNF、RuO2基和Pt/C + RuO2基ZAB在5 mA cm−2下的长期稳定性测试。(f) 关键ZAB性能指标与已报道的代表性铁基ORR催化剂的对比。
五、【成果启示】
高性能氧电催化剂的设计不能只关注活性位点本身，还需要同时考虑活性位点周围的电子环境、孔结构以及催化层中的传质过程。通过构建 Fe−N4/Fe3C 活性微区，研究实现了单原子位点与纳米颗粒之间的界面电子耦合，从而优化氧中间体吸附并提升 ORR 本征动力学；同时，三维介孔碳纳米花框架为氧气扩散和活性位点暴露提供了高效通道。该策略将微观电子结构调控与宏观传质优化相结合，为突破传统单原子催化剂活性与实际器件性能难以兼顾的问题提供了新的思路，也为锌空气电池等能源转换器件中非贵金属空气阴极催化剂的开发提供了重要参考。
原文详情：Yuqi Yang, Bohan Kang, Qinqin Nie, Yong Zheng, Meiling Li, Jiaqing Luo, Jian Liu, Liu Yang, Zhongwei Chen, Integration of Fe Single Atoms to Improve Kinetics and Mass Transport in Oxygen Reduction Reaction for Zinc-Air Batteries，Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e2522821.
https://doi.org/10.1002/anie.2522821
刘坚教授简介：国家级领军人才，1995年本科毕业于天津轻工业学院无机化工专业，2002年至2008年于中国石油大学（北京）化工学院攻读硕士和博士学位，导师为徐春明院士和赵震教授。；2011年至2012年在美国 Mississippi State University 从事博士后研究工作。长期从事工业催化和石油化工研究，在 PM2.5 颗粒污染物与 NOx 催化净化、烷烃催化脱氢和 3DOM 催化材料等方向取得了系列进展。已在 AIChE Journal、Angewandte Chemie 等期刊发表 SCI 论文 200 余篇，他引 8000 余次；主持国家自然科学基金重点及面上项目、科技部重点研发课题等项目 20 余项，获授权中国发明专利 30 余项。
陈忠伟院士简介：加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士，国际电化学能源科学院副主席。现任能源催化转化全国重点实验室主任、中国科学院大连化学物理研究所动力电池与系统研究部部长。长期致力于电化学能源催化转化与储存领域研究，率先开展了一维纳米贵金属燃料电池催化剂的系统性研究，开创性提出并设计“动态催化”双功能催化剂并成功应用于兆瓦级锌空气电池；提出“限域表界面”催化新概念，设计了高活性、高选择性和持久稳定性的催化剂。在重要学术期刊发表论文 450 余篇，被引 45000 余次，H 因子 111；出版著作 3 部，申请/授权专利 90 余项。
本文由Bohan Kang供稿
