Fe-ZrO2 电子耦合界面设计实现高效稳定氧还原催化及长循环锌空气电池性能突破

针对铁单原子催化剂易失活、稳定性差的问题，研究人员通过构建Fe-ZrO2 电子耦合异质界面，开发出具有Fe-O-Zr键桥接电荷转移通道的ORR电催化剂。该催化剂在碱性条件下半波电位达0.868 V，锌空气电池可稳定循环1560次，往返效率51%，为替代贵金属催化剂提供了新策略。

　　

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在可再生能源存储领域，锌空气电池(ZABs)因其高理论能量密度备受关注，但阴极氧还原反应(ORR)的缓慢动力学始终是瓶颈。传统铂基催化剂虽活性优异，却面临成本高、易中毒等难题。铁基单原子催化剂虽成本低廉，但活性位点易聚集失活，尤其在强碱性电解质中电子快速流失导致性能衰减。如何通过界面工程稳定活性中心，同时维持高效电子转移，成为突破非贵金属催化剂应用的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员创新性地提出金属-氧化物电子耦合策略，通过将铁纳米点(约18 nm)嵌入分散在氮掺杂气泡状多孔碳纳米纤维(PCNFs)中的ZrO₂
纳米颗粒，构建了具有Fe-O-Zr异质界面的ZrO₂
-Fe@N-PCNFs催化剂。该设计通过界面化学键实现电荷定向转移，其中ZrO₂
作为电子促进剂，既抑制了铁的快速失活，又加速了中间产物的转化。

研究采用静电纺丝结合退火处理的制备技术，通过聚四氟乙烯(PTFE)造孔剂形成分级多孔结构。关键表征手段包括高分辨透射电镜(HRTEM)观察界面晶格匹配、X射线光电子能谱(XPS)分析元素价态、旋转圆盘电极(RDE)测试ORR活性，以及密度泛函理论(DFT)计算界面电荷分布。锌空气电池性能测试采用三电极体系，以泡沫镍复合碳纸为阴极，锌箔为阳极。

2.1 材料合成与界面电子转移机制
通过溶胶-凝胶静电纺丝技术成功制备柔性薄膜，TEM显示Fe纳米点与ZrO₂
形成清晰晶格条纹（间距0.291 nm和0.208 nm），证实了Fe(111)与ZrO₂
(111)面的匹配。DFT计算揭示界面处电子通过Fe-O-Zr键桥接转移，氧原子周围电子富集（Δρ(z) > 0），使O-O键解离能降低0.23 eV，有效促进4e^-
路径选择性。

2.2 材料表征
ICP-MS测定铁负载量达7.96 wt%，氮吸附测试显示比表面积297 m²
/g。XPS证实ZrO₂
中存在氧空位（结合能532.3 eV），拉曼光谱I_D
/I_G
值0.95表明氮掺杂引入缺陷位点。机械性能测试显示含ZrO₂
样品抗断裂能力显著提升。

2.3 电化学性能
在0.1 M KOH中，催化剂半波电位(0.868 V)超越商用Pt/C(0.85 V)，塔菲尔斜率仅89 mV/dec。i-t测试显示39600秒后活性保持95.3%，K-L方程计算电子转移数n≈4，证实高效4e^-
主导路径。

2.4 锌空气电池性能
组装电池展示1.550 V开路电压，峰值功率密度79.4 mW/cm²
。10 mA/cm²
下放电容量达823.9 mAh/g，1560次循环后往返效率仍保持50.7%，远超Pt/C基准组（仅240次循环）。

2.5 DFT机理分析
吉布斯自由能计算表明，Fe/ZrO₂
界面使*OOH生成能垒从0.78 eV降至0.55 eV。电子局域函数显示界面处电荷重分布，ZrO₂
表面层电子耗尽（Δρ(z) < 0）而界面区富集，形成"电子蓄水池"效应。

这项研究通过精准调控金属-氧化物电子耦合，解决了铁基催化剂稳定性与活性的矛盾。ZrO₂
不仅作为物理载体分散铁纳米点，更通过化学键合调控界面电子结构，使催化剂在保持高活性的同时实现工业级循环寿命。该工作为设计新一代非贵金属电催化剂提供了普适性策略，发表于《Next Energy》的成果将推动锌空气电池在大规模储能领域的实际应用。