分级介孔Fe-N-C单原子催化剂在可充电锌空气电池中的高效氧电催化研究

为解决锌空气电池(ZABs)中氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)动力学缓慢的问题，研究人员通过模板辅助法开发了分级介孔Fe-N-C单原子催化剂(Fe-N/MPCS500)。该催化剂表现出优异的双功能活性(ORR半波电位0.86 V，OER过电位510 mV@10 mA cm-2)，在液态ZAB中实现708 mAh g-1的比容量和470小时循环稳定性，为开发非贵金属催化剂提供了新思路。

　　

随着全球能源危机加剧和环境问题突出，可充电锌空气电池(ZABs)因其超高理论能量密度(1086 Wh kg^-1)、环境友好和成本低廉等优势，被视为下一代储能技术的理想选择。然而，其商业化进程长期受限于氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)的缓慢动力学，目前依赖贵金属催化剂(Pt/C、IrO_x等)存在成本高、稳定性差等瓶颈。开发高性能非贵金属催化剂成为突破该领域技术壁垒的关键。

针对这一挑战，东华大学的研究团队在《Materials Reports: Energy》发表研究，通过创新性设计分级介孔Fe-N-C单原子催化剂(Fe-N/MPC_S500)，成功实现了锌空气电池性能的显著提升。该工作采用模板辅助合成策略，通过调控SiO₂模板尺寸(500 nm)和碳化温度(800°C)，构建了具有原子级分散Fe-N₄位点的三维介孔碳框架。

研究团队主要运用了以下关键技术：1）模板辅助热解法构建分级孔结构；2）球差校正高角环形暗场扫描透射电镜(AC-STEM)表征单原子分散；3）旋转圆盘电极测试评估ORR/OER双功能活性；4）液态锌空气电池全电池性能测试。

结果与讨论
1. 材料表征
通过SEM/TEM证实了Fe-N/MPC_S500具有5-30 nm的贯通介孔结构，比表面积达962 m² g^-1。AC-STEM观察到孤立的Fe单原子亮点，XPS显示其含有29%吡啶氮和16% Fe-N_x活性位点，显著高于对比样品Fe-N/MPC_S100。

2. 电催化性能
在0.1 M KOH中，Fe-N/MPC_S500展现出0.86 V的ORR半波电位和1.74 V@10 mA cm^-2的OER电位，双功能活性指标ΔE仅0.88 V。动力学分析显示其遵循4电子转移路径(n=3.95)，塔菲尔斜率(94.15 mV dec^-1)显著低于Pt/C+Ir/C(199.42 mV dec^-1)。

3. 锌空气电池性能
组装的液态电池开路电压达1.48 V，峰值功率密度409 mW cm^-2。在10 mA cm^-2下实现708 mAh g^-1的锌利用率，470小时循环后电压间隙仅增加0.85 V，稳定性远超贵金属对照组。

结论与展望
该研究通过精准调控Fe-N配位环境和介孔结构，创制了具有原子级活性中心的Fe-N/MPC_S500催化剂。其分级孔道促进了氧扩散和电解质浸润，而高石墨化碳基质确保了电子快速传导。特别值得注意的是，通过SiO₂模板尺寸优化(500 nm vs 100 nm)，实现了活性位点暴露与结构稳定性的最佳平衡，这为今后单原子催化剂的设计提供了重要参考。

这项工作不仅开发出性能超越商业贵金属催化剂的替代材料，更通过模板辅助合成策略展示了规模化生产的可行性。研究者特别指出，该催化剂在严苛电化学条件下仍能保持Fe-N₄位点的结构完整性，这对推进金属-空气电池的实际应用具有里程碑意义。未来通过进一步优化孔道结构和表面化学性质，这类材料在燃料电池、水分解等领域也展现出广阔前景。