氮富集碳纳米花负载卫星单原子Fe位点与RuFe纳米簇协同催化提升氧还原反应性能

本研究针对氧还原反应(ORR)催化剂活性与稳定性不足的问题，通过双配体自组装策略构建了同时负载单原子Fe(Fe-N4 )和RuFe纳米簇(NCs)的氮富集碳纳米花(Fe/RuFe@N -CNFs)。实验证实RuFe NCs与Fe-N4 位点的协同作用优化了反应中间体吸附能，使半波电位达0.87?V，锌空气电池峰值功率密度达110.5?mW?cm?2 ，为高性能催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球能源转型的加速，开发高效稳定的氧还原反应(ORR)催化剂成为突破锌空气电池等清洁能源技术瓶颈的关键。当前Fe-N-C类单原子催化剂虽具有高原子利用率，但其Fe-N₄
位点对氧分子的超氧态吸附会导致O-O键断裂能垒过高，制约4电子转移效率。与此同时，传统催化剂在反应中间体的吸附/脱附平衡调控方面仍面临挑战。

为解决这一难题，研究人员创新性地提出"卫星单原子-纳米簇"协同催化体系。通过双配体（2-甲基咪唑与5-氨基四唑）自组装策略，成功制备出三维氮富集碳纳米花载体，同步负载卫星状分布的Fe单原子(SA)和RuFe纳米簇(NC)。同步辐射X射线吸收精细结构谱(XAFS)证实，Fe以Fe-N₄
构型锚定在碳骨架中，而RuFe NCs均匀分散在花瓣状碳层间。密度泛函理论(DFT)计算揭示，RuFe NCs通过远程电子调控作用，使Fe-N₄
位点的d带中心下移0.35?eV，显著弱化了*OOH中间体的吸附强度，将速率控制步骤的能垒从1.28?eV降至0.94?eV。

关键技术包括：双配体自组装构建ZTF前驱体、高温热解制备氮掺杂碳载体、同步辐射X射线吸收谱(XAS)表征局部配位环境、DFT计算电子结构参数。

【材料表征】
扫描电镜显示产物呈现典型的花状形貌，由厚度约15?nm的碳纳米片交错构成。X射线光电子能谱(XPS)证实材料含8.7?at%的吡啶氮，这些氮物种既作为金属锚定位点，又参与电荷转移。球差校正电镜(HAADF-STEM)直接观察到0.5-2?nm的RuFe NCs和原子级分散的Fe亮点。

【催化性能】
在0.1?M?KOH电解液中，Fe/RuFe@N
-CNFs的起始电位达1.103?V，半波电位比商业Pt/C正移30?mV。旋转环盘电极测试显示电子转移数达3.98，表明其遵循4电子路径。加速耐久性测试后，电流密度保持率达92.3%，优于对比样品。

【机制阐释】
DFT模拟表明，RuFe NCs通过界面电荷重分布诱导Fe-N₄
位点的电子离域，使OOH吸附能从-3.21?eV减弱至-2.87?eV。原位红外光谱捕捉到RuFe NCs促进OOH质子化生成*O的关键中间态，验证了协同催化路径。

该研究创新性地实现了单原子与纳米簇的跨尺度协同，为多活性中心催化剂设计提供了范式。所制备材料在锌空气电池中展现出110.5?mW?cm^?2
的峰值功率密度和500次循环稳定性，较现有报道提升约20%。这种"主-卫星"活性中心构型策略可拓展至其他催化体系，论文发表于《Journal of Colloid and Interface Science》。