杨木衍生Fe-N/Fe3 C@NSC双功能碳基电催化剂提升液态与柔性准固态锌空气电池性能

为解决锌空气电池（ZABs）中氧还原/析出反应（ORR/OER）动力学缓慢及贵金属催化剂成本高的问题，研究人员以杨木为碳源设计出Fe-N/Fe3 C@N,S共掺杂碳（Fe-N/Fe3 C@NSC）双功能电催化剂。该材料通过木材多孔结构促进传质，Fe-N/Fe3 C纳米颗粒与硫调控电子结构提升活性，使液态ZABs功率密度达197 mW cm-2 ，准固态ZABs展现64 mW cm-2 及优异弯曲稳定性，为柔性电子器件能源存储提供新策略。

　　

随着新能源车辆和智能电子设备的快速发展，高效、低成本的能源存储技术成为研究热点。锌空气电池（ZABs）因其超高理论能量密度（1086 Wh kg^-1
）和环境友好性备受关注，但其商业化受限于阴极氧还原反应（ORR）和阳极氧析出反应（OER）的缓慢动力学。尽管铂/碳（Pt/C）和二氧化钌（RuO₂
）等贵金属催化剂能提升反应效率，但其高昂成本和稀缺性阻碍了大规模应用。因此，开发非贵金属双功能催化剂成为突破ZABs性能瓶颈的关键。

针对这一挑战，山东省某研究团队创新性地利用林业废弃物——杨木粉末作为碳前驱体，结合铁、氮、硫共掺杂策略，成功制备出Fe-N/Fe₃
C@N,S共掺杂碳（Fe-N/Fe₃
C@NSC）催化剂。该研究通过高温热解过程中FeCl₃
的造孔作用与硫原子对Fe-N₄
位点的电子调控，同步优化了材料的传质能力和本征活性，相关成果发表于《Materials Research Bulletin》。

研究团队采用杨木粉末（80目筛分）为碳源，与二氰二胺（氮源）、硫脲（硫源）及FeCl₃
混合后经900°C高温热解，构建了具有分级多孔结构的催化剂。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）和穆斯堡尔谱解析Fe-N/Fe₃
C活性位点，结合电化学测试评估ORR/OER性能，并组装液态和准固态ZABs验证实际应用效果。

材料设计与表征
木材固有的定向通道和热解产生的微/介孔（图S1）为气体/电解质传输提供快速路径。X射线光电子能谱（XPS）证实硫以噻吩S形式存在，通过诱导Fe-N₄
位点电子重排提升活性位点密度。透射电镜（TEM）显示Fe₃
C纳米颗粒均匀分散于碳基质中，与Fe-N位点协同降低反应能垒。

电化学性能
在0.1 M KOH中，Fe-N/Fe₃
C@NSC展现0.85 V的半波电位（E_1/2
），ORR/OER过电位差（ΔE）仅0.63 V，优于商用Pt/C+RuO₂
组合。密度泛函理论（DFT）计算表明，噻吩S的引入使Fe-N₄
位点d带中心下移，优化氧中间体吸附能。

电池应用
液态ZABs峰值功率密度达197 mW cm^-2
，20 mA cm^-2
下循环115小时电压衰减仅0.92 V。准固态电池在180°弯曲条件下仍保持64 mW cm^-2
的输出，满足柔性器件需求（图S5）。

该研究开创性地将生物质废弃物转化为高性能电催化剂，通过原子级电子结构调控与多级孔道设计，解决了ZABs中传质与活性位点暴露的关键科学问题。其提出的"金属纳米颗粒-单原子位点"协同机制为新型催化剂设计提供范式，同时为林业废弃物的高值化利用和碳中和目标实现提供了技术路径。