单原子铁锚定高孔隙碳纤维的分子工程与通道结构调控：提升氧还原反应及锌空气电池性能的创新策略

本研究针对传统Fe-N-C催化剂活性位点密度低、传质受限等问题，创新性地采用天然叶绿素铁配合物(Fe-Chl)为前驱体，结合静电纺丝技术构建了具有定向中空通道的单原子铁催化剂(FeSA@HPCF)。该材料实现了Fe?N4 活性中心的精确调控和孔隙结构的多级优化，其ORR半波电位达0.87 V，锌空电池功率密度达186 mW cm?2 ，为高性能能源器件设计提供了新范式。

　　

在全球能源结构转型与碳中和战略背景下，锌空气电池(ZABs)因其理论能量密度高、环境友好等优势成为储能技术的研究热点。然而，其实际应用受限于空气阴极氧还原反应(ORR)的缓慢动力学。虽然铂基催化剂性能优异，但高昂成本制约了商业化进程。铁基催化剂因其独特的电子结构和资源丰富性被视为理想替代品，其中Fe?N₄
单原子催化剂(SACs)因其明确的活性中心结构展现出突破传统性能瓶颈的潜力。但现有合成方法面临活性位点随机分布、碳基质致密化导致传质受限等挑战，亟需开发兼具原子级精准调控和结构优化的新策略。

陕西科技大学研究人员创新性地将天然叶绿素铁配合物(Fe-Chl)作为分子模板，通过静电纺丝技术结合纤维素乙酸酯(CA)和金属镉的造孔作用，成功制备了具有定向中空通道的单原子铁锚定高孔隙碳纤维催化剂(FeSA@HPCF)。研究采用X射线吸收光谱(XAS)确认活性中心结构，通过电化学测试评估ORR性能，并组装液态/全固态锌空电池验证实际应用效果。

【合成与形貌表征】
通过Fe-Chl的Fe?N₄
卟啉环结构实现活性位点的拓扑遗传，CA与CdCl₂
的协同作用构建了分级孔隙系统。透射电镜显示材料具有独特的纤维状形貌和均匀分布的介孔结构，比表面积达812 m²
g^?1
。

【活性中心结构解析】
X射线近边吸收谱证实Fe价态为+3价，扩展边拟合表明Fe与4个N原子配位形成平面结构，成功保留了前驱体的Fe?N₄
构型。穆斯堡尔谱进一步排除了铁团簇的存在。

【电催化性能】
在0.1 M KOH中，FeSA@HPCF的半波电位(E_1/2
)达0.87 V，超越商业Pt/C(0.84 V)。旋转环盘电极测试显示电子转移数接近4.0，过氧化氢产率低于5%，表明优异的四电子选择性。

【锌空电池应用】
液态电池最大功率密度达186 mW cm^?2
，10 mA cm^?2
下稳定循环275小时；全固态电池在弯曲状态下仍保持90%初始容量，满足柔性电子器件需求。

该研究通过分子工程与结构调控的协同创新，实现了三个重要突破：首次利用生物分子模板精准构建Fe?N₄
活性中心，解决了传统高温热解法配位不可控的难题；创建的多级孔道系统使活性位点利用率提升至82.3%；开发的静电纺丝工艺具有可扩展性，为高性能催化剂设计提供了普适性平台。这些发现不仅推动了非贵金属ORR催化剂的发展，更为新能源存储器件的商业化应用奠定了材料基础。