Fe−N4/Fe3C 活性微区嵌入介孔碳纳米花用于高效氧还原与锌空气电池

本文针对锌空气电池中氧还原反应（ORR）动力学缓慢、非贵金属催化剂活性与传质受限的问题，提出一种跨尺度协同设计策略。研究团队通过MCA模板辅助和PDA衍生碳化方法，成功制备了FeSA/Fe3CNP@CNF催化剂，其结构特点是将Fe−N4单原子位点与Fe3C纳米颗粒共同嵌入三维介孔碳纳米花框架中。实验结果表明，该催化剂中Fe−N4作为主要活性中心，Fe3C纳米颗粒通过界面电子耦合调节其电子结构，促进氧分子吸附与活化；同时，三维介孔碳框架提供了高效氧气传输通道和丰富的活性位点暴露界面。该催化剂在半波电位达到0.921 V vs. RHE，优于商业Pt/C；在锌空气电池测试中，峰值功率密度达199.1 mW cm−2，并保持超过500小时的循环稳定性。原位光谱、传质分析和理论计算证实，Fe3C优化了Fe−N4位点的电子结构并降低氧气活化能垒，介孔碳结构显著提升氧气扩散和活性位点利用率。研究结论表明，将微观电子结构调控与宏观传质优化相结合的跨尺度策略，为开发高性能非贵金属ORR催化剂及锌空气电池提供了新思路。