铁基电催化剂因其独特的电子结构与丰富的资源储量，在锌空气电池（ZAB）的氧还原反应（ORR）催化体系中展现出替代贵金属材料的巨大潜力。特别是，Fe-N4单原子催化剂（SACs）凭借其原子级分散的活性位点和明确的配位结构，进一步突破了传统催化剂的性能瓶颈。然而，精准可控地调控Fe-N4 SACs的配位构型仍面临多重挑战；与此同时，传统Fe-N-C催化剂也面临着碳基体致密导致的传质受限与活性位点利用率低下的限制。
针对以上问题，陕西科技大学“生物质化学与材料”院士创新团队沈梦霞副教授课题组在《Journal of Colloid And Interface Science》期刊发表题为“Molecular engineering and channel structure modulation for single-atom iron-embedded high-porosity carbon fibers with enhanced oxygen reduction reaction and zinc-air battery performance”的研究论文。
该研究创新性地提出了一种结合分子工程和定向中空通道孔结构调制的静电纺丝策略，成功构筑了一种单原子铁锚定的高孔隙碳纤维催化剂（FeSA@HPCF）。该体系的核心设计理念在于：一方面，利用天然叶绿素铁钠盐（Fe-Chl）中独特的Fe-N4卟啉构型，实现活性位点的拓扑遗传，确保活性中心结构Fe-N4的精确重现；另一方面，创新性地引入低沸点金属模板与醋酸纤维素（CA），以实现对孔道结构的多级调控，进而优化传质动力学并最大化活性位点的暴露。得益于独特的结构优势，FeSA@HPCF催化剂展现出优异的ORR活性（E1/2 = 0.87 V）和四电子选择性。此外，FeSA@HPCF组装的液态ZAB表现出出色的最大功率密度（186 mW cm-2）和持续275小时的循环耐久性，且组装的全固态ZAB也展现出优异的电化学性能。
图1. FeSA@HPCF催化剂的结构和成分表征。(a) FeSA@HPCF合成策略示意图。(b) Fe-Chl@NFs 前驱体薄膜的SEM图像。(c) FeSA@HPCF的SEM和(d) TEM图像。(e) FeSA@HPCF及对照样品（Fe/NCA@PCF和Fe/NCd@PCF）的氮气吸附-脱附等温线。(f) FeSA@HPCF的相应元素分布分析。
图2. FeSA@HPCF催化剂的结构分析。(a) FeSA@HPCF的BF-HRTEM图像（插图：对应的SAED 图案）。(b) FeSA@HPCF的AC-HAADF-STEM图像，单原子位点用黄色圆圈突出显示。FeSA@HPCF、Fe/NCA@PCF、Fe/NCd@PCF和FeNP@HPCF的(c) XRD图谱和(d) 拉曼光谱。(e) FeSA@HPCF的高分辨率N 1s XPS 光谱。Fe foil、Fe2O3、FePc、Fe-Chl和FeNP@HPCF在Fe K边的(f) 归一化XANES光谱（插图：放大近边区域）和(g) Fe K边的FT-EXAFS光谱。FeSA@HPCF在Fe K边的(h) k空间EXAFS拟合曲线和(i) R空间 EXAFS拟合曲线。(j) FeSA@HPCF、Fe foil和FePc的EXAFS小波变换谱。
图3. ORR性能评估。在O2饱和的0.1 M KOH溶液中测量FeSA@HPCF、Fe/NCA@PCF、Fe/NCd@PCF、FeNP@HPCF和Pt/C的 (a) 在1600 rpm下的极化曲线，(b) 循环伏安曲线，(c) 不同催化剂的E1/2和Jd比较和 (d) 塔菲尔斜率。(e) FeSA@HPCF的不同转速下的极化曲线（插图：相应K-L曲线）。(f) RRDE测量的H2O2产率和电子转移数。(g) FeSA@HPCF和Pt/C的计时电位曲线。FeSA@HPCF在3000次电位循环前后的（h）LSV曲线和（i）CV曲线。
图4. 采用FeSA@HPCF和Pt/C + RuO2催化剂组装的液态锌空气电池的性能表征。(a) 液态锌空气电池示意图。(b) 开路电压稳定性测试。(c) 放电极化曲线和功率密度曲线。(d) 10 mA cm-2电流密度下的恒流比容量。(e) 宽电流密度范围（0 - 200 mA cm-2）下的恒电流放电曲线。(f) 10 mA cm-2电流密度下的长期循环稳定性测试。
图5. 采用FeSA@HPCF和Pt/C + RuO2催化剂组装的全固态锌空气电池系统的性能表征。(a) 全固态锌空气电池的组装示意图。(b) 开路电压稳定性测试。(c) 放电极化曲线和功率密度曲线。(d) 在 5 mA cm-2 下的充放电循环稳定性评估。(e) 不同弯曲角度下的充放电曲线。
总之，基于结合分子工程和定向中空通道孔结构调制的静电纺丝策略，我们成功构筑了一种单原子铁锚定的高孔隙碳纤维催化剂（FeSA@HPCF）。该策略实现了Fe-N4活性中心结构的精确重现，以及孔道结构的多级调控。得益于独特的结构优势，FeSA@HPCF催化剂展现出优异的ORR活性（E1/2 = 0.87 V）和四电子选择性。本研究通过分子水平的精准调控，不仅实现了Fe-N4催化剂微观结构的可定制化构建，更突破了传统铁基催化剂碳基材料固有的致密化缺陷，为优化氧还原反应（ORR）性能建立了一个兼具灵活性与普适性的设计平台。
相关研究成果以“Molecular engineering and channel structure modulation for single-atom iron-embedded high-porosity carbon fibers with enhanced oxygen reduction reaction and zinc-air battery performance”为题发表在《Journal of Colloid And Interface Science》上。陕西科技大学沈梦霞副教授为通讯作者，硕士研究生谢亮娇为本工作主要完成人，加拿大新布伦瑞克大学倪永浩教授和陕西元丰新材料科技有限公司刘昱君为合作完成人。感谢国家自然科学基金（No. 22108164）、陕西省重点研发计划项目（No. 2024GX-YBXM-339, No. 2025CY-YBXM-387）、陕西省高层次人才项目等对本工作的大力支持！
文章链接
Molecular engineering and channel structure modulation for single-atom iron-embedded high-porosity carbon fibers with enhanced oxygen reduction reaction and zinc-air battery performance
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138230
作者简介：
沈梦霞，副教授，硕士生导师，陕西省高层次人才引进计划入选者、陕西科技大学青年拔尖人才、“生物质化学与材料”院士创新团队骨干成员。主要研究方向为生物质基功能材料及其在新能源器件、电磁屏蔽/电磁波吸收等领域的应用。以第一或通讯作者在Energy Storage Mater., Small, Chem. Eng. J., Nano Energy, J. Colloid Interface Sci.等期刊发表论文30余篇，其中5篇入选ESI高被引论文。主持国家自然科学基金项目、教育部留学基金资助国际高层次人才培养项目、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基金及企业技术服务项目等各类科技项目10余项。
