不对称Fe-N?Se单原子与Fe原子簇结合，这些原子簇位于仿肺泡结构的层次多孔碳亚微球上，从而增强了氧的还原能力

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Asymmetric Fe-N 3Se single atoms coupled with Fe atomic clusters on alveolar-inspired hierarchically porous carbon submicronspheres for enhanced oxygen reduction

单原子催化剂Fe-N-C通过不对称配位设计和仿生多孔碳结构优化，形成Fe-N3Se单原子位点与Fe原子簇协同体系，显著提升氧还原反应活性（Eo=0.99V，E1/2=0.90V）及循环稳定性，多尺度协同策略有效克服电子局域化和中间体吸附瓶颈。

　　这项研究聚焦于解决传统金属-氮-碳单原子催化剂（M-N-C SACs）在氧还原反应（ORR）中表现不佳的问题。研究人员发现，传统M-N-C SACs的对称配位结构和孤立活性位点之间缺乏协同作用，导致电子局域化效应严重，这成为制约ORR催化性能的关键因素。为克服这些限制，本研究提出了一种多尺度协同工程策略，将不对称配位设计与仿生结构创新相结合，以提升催化剂的整体性能。

在催化剂设计方面，研究人员通过引入硒元素，将原本对称的Fe-N?配位结构转变为Fe-N?Se结构。这种结构的改变有助于实现电子密度的重新分布，从而优化活性位点的电子环境。同时，将Fe原子团（FeACs）与Fe-N?Se位点进行战略性的整合，构建了不对称的催化中心，进一步增强了O?的活化能力，并促进了O-O键的断裂。这一策略在微观尺度上通过电子结构的调控，在宏观尺度上则通过仿生结构的设计，实现了多尺度协同作用。

在结构设计上，研究人员借鉴了肺泡的结构特点，构建了一种具有分级分布微孔和介孔的分级多孔碳亚微米球结构（FeSA+AC-N/Se-AHCs）。这种结构不仅提高了催化剂的比表面积，还优化了气体-液体-固体三相界面的传质效率，使得反应物能够更有效地扩散至活性位点，同时促进产物的快速脱附。此外，通过构建具有梯度润湿特性的界面，研究人员确保了活性位点附近的局部亲水性，同时在气体扩散层中保持整体疏水性，从而防止气泡形成并提高催化剂的稳定性。

在实际应用中，研究人员成功制备了FeSA+AC-N/Se-AHCs催化剂，并将其用于锌-空气电池（ZABs）的阴极材料。该催化剂表现出卓越的电化学性能，其半波电位（E?/?）达到0.90 V，而起始电位（E?）达到0.99 V，显著优于商业铂碳催化剂（Pt/C）。此外，该催化剂在碱性介质中表现出优异的循环稳定性，使得锌-空气电池在长时间运行中仍能保持稳定的性能。测试结果显示，该电池的功率密度可达197.5 mW/cm2，并且能够在343小时的连续运行中保持稳定。

从理论分析来看，Fe-N?Se位点与FeAC之间的电子耦合效应，协同优化了关键中间体*OOH和*O的吸附自由能，从而加速了O-O键的断裂过程。这一机制与FeACs的d带中心调控相结合，进一步降低了反应的活化能，使得催化剂在ORR中表现出更高的效率。通过这种多尺度协同工程策略，研究人员不仅解决了传统催化剂在活性与稳定性之间的权衡问题，还为高能量密度和长寿命的锌-空气电池提供了一种新的阴极催化剂平台。

本研究在材料选择上也进行了细致的考虑。研究人员使用了多种化学试剂，包括叶酸（FA）、醋酸亚铁（Fe(CH?COO)?）、聚乙烯醇（PVA）、氢氧化钾（KOH）、硒粉、腺嘌呤、醋酸锌（Zn(CH?COO)?）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、六水合硝酸锌（Zn(NO?)?·6H?O）等。这些材料在实验过程中被精确称量，并按照特定的化学反应路径进行合成，以确保催化剂的结构和性能符合设计要求。此外，研究人员还使用了Nafion（5%）作为粘结剂，并通过Alfa Aesar获得商业的二氧化钌（RuO?）和铂碳催化剂（Pt/C）作为对照。

在催化剂的制备过程中，研究人员采用了多种方法，包括溶液合成、热解和结构调控等。通过精确控制反应条件，如温度、压力和时间，研究人员成功地将Fe单原子（FeSA）与Fe原子团（FeAC）锚定在具有氮和硒共掺杂的分级多孔碳亚微米球结构上。这种结构不仅提供了足够的支撑，还确保了活性位点的均匀分布和稳定锚定，从而提升了催化剂的整体性能。

在结构表征方面，研究人员利用多种先进的分析手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等，对催化剂的微观结构和化学组成进行了详细的分析。这些表征手段帮助研究人员确认了Fe-N?Se位点的形成，以及FeACs在催化剂结构中的分布情况。此外，通过电化学测试，如循环伏安法（CV）、计时电流法（Tafel）和恒电流测试，研究人员进一步评估了催化剂在ORR中的催化性能。

从实验结果来看，FeSA+AC-N/Se-AHCs催化剂在ORR中表现出优异的活性和稳定性。其起始电位（E?）和半波电位（E?/?）均优于商业Pt/C催化剂，表明其在催化反应中具有更高的效率。此外，该催化剂在长时间运行中表现出良好的循环稳定性，说明其在实际应用中具有较高的耐久性。这些性能的提升归因于催化剂的多尺度协同工程策略，即通过不对称配位设计和仿生结构创新，优化了电子结构和传质效率，从而提升了催化性能。

本研究的意义在于，它不仅提供了一种新型的阴极催化剂，还为高能量密度和长寿命的锌-空气电池的发展提供了理论支持和技术路线。锌-空气电池作为一种可持续的储能设备，具有高能量密度和环保优势，但在实际应用中面临催化剂活性不足和稳定性差的问题。通过引入FeSA+AC-N/Se-AHCs催化剂，研究人员成功地提升了锌-空气电池的性能，使其在实际应用中更具竞争力。此外，该研究还为其他类型的燃料电池和电化学储能设备提供了新的思路和方法。

本研究的成果不仅限于实验室层面，还具有实际应用价值。研究人员将FeSA+AC-N/Se-AHCs催化剂用于锌-空气电池的阴极，并测试了其在不同条件下的性能表现。实验结果显示，该电池在碱性介质中表现出优异的性能，其功率密度达到197.5 mW/cm2，并且能够在343小时的连续运行中保持稳定。这些数据表明，该催化剂在实际应用中具有较高的可行性和可靠性，为锌-空气电池的商业化提供了有力支持。

此外，本研究还强调了催化剂设计的重要性。在传统的M-N-C SACs中，由于对称配位结构和孤立活性位点的限制，催化剂的性能受到了较大影响。而通过引入不对称配位设计和仿生结构创新，研究人员成功地解决了这些问题，使催化剂在ORR中表现出更高的活性和稳定性。这种多尺度协同工程策略为未来催化剂的设计提供了新的方向，即通过结合不同尺度的调控手段，优化催化剂的性能，使其在复杂反应条件下也能保持高效。

在理论分析方面，研究人员探讨了Fe-N?Se位点与FeAC之间的协同作用。这种协同作用不仅优化了关键中间体的吸附自由能，还促进了O-O键的断裂过程，从而降低了反应的活化能。通过这种机制，研究人员成功地提升了催化剂的整体性能，使其在ORR中表现出更高的效率。这些理论分析为催化剂的设计和优化提供了重要的指导，使得研究人员能够更系统地理解催化剂的性能机制。

综上所述，本研究通过多尺度协同工程策略，成功地提升了锌-空气电池的阴极催化剂性能，为高能量密度和长寿命的锌-空气电池提供了新的解决方案。该研究不仅在实验层面取得了显著成果，还在理论层面提供了深入的分析，为未来相关研究提供了重要的参考价值。同时，该研究还强调了催化剂设计在电化学储能设备中的重要性，为其他类型的催化剂开发提供了新的思路和方法。