采用可持续能源技术取代有限的化石燃料是实现碳中和目标的重要途径。锌空气电池（ZABs）作为再次兴起的清洁高效的能源转换器件，具有成本低、环境友好、能量密度高等优点，引起了研究人员的广泛关注。氧还原反应（ORR）是ZABs阴极的关键反应，由于其动力学速度缓慢，使ZABs的发展面临着巨大挑战。虽然商用Pt/C电催化剂具有优越的活性，但其成本高和在长期使用中对甲醇和一氧化碳中毒的敏感性限制了其广泛应用。因此，需要生产性能高、经济有效、抗毒性的催化剂来取代传统的贵金属基催化剂。广州大学王欢课题组和电子科技大学黄明课题组提出合成金属-碱木质素配合物，构建出具有原子分布的Fe-N₄位点和协同Fe₃C团簇（称为FeSA-Fe₃C/NC）的氮掺杂碳材料。

实验结果发现，FeSA-Fe₃C/NC表现出优异的ORR性能（Eonset=1.007V，E_1/2=0.902V），超过商业Pt/C（Eonset=0.996V，E_1/2=0.853V）。此外，FeSA-Fe₃C/NC的极限电流密度为~5.6 mA cm^-2，明显高于Pt/C（~4.5 mA cm^-2），进一步表明其具有优良的ORR性能。此外，FeSA-Fe₃C/NC的Tafel斜率最低，为82 mV dec^-1，明显小于商用Pt/C（123 mV dec^-1），表明其增强的ORR动力学。此外，FeSA-Fe₃C/NC的过氧化氢产量在很大的潜力范围内仍保持在5.2%以下，明显低于Pt/C（6.9%），这种显著低的过氧化氢产量突出了FeSA-Fe₃C/NC对水的特殊选择性。为了评估催化剂的稳定性，通过计时安培曲线（it）测试43200s后，可以观察到FeSA-Fe₃C/NC催化剂的电流保留率最高，为98.3%，优于商用Pt/C（94.6%），说明FeSA-Fe₃C/NC具有良好的稳定性。

作者利用FeSA-Fe₃C/NC负载碳布作为空气阴极制作了一个锌空气电池（ZAB），展示其在储能装置应用中的潜力，基于FeSA-Fe₃C/NC的ZABs展现出令人印象深刻的1.573 V的开路电位，超过了基于Pt/C的ZABs（1.524 V）的性能。此外，组装好的ZABs成功地为一个商业发光二极管（LED）供电，展示了其在实际能源应用中的潜力。FeSA-Fe₃C/NC+IrO₂-ZABs的极化电位明显低于Pt/C+IrO₂-ZABs，说明FeSA-Fe₃C/NC降低了充电电压，提高了放电容量。此外，放电极化显示，FeSA-Fe₃C/NC组装的ZABs（151.3 mW cm⁻²）显著优于Pt/C组装的ZABs（99.6 mW cm⁻²），进一步证明了其卓越的ORR性能。

在这个工作中，广州大学王欢课题组和电子科技大学黄明课题组以木质素为前驱体，提出了一种简便、高效的合成具有原子分布的Fe单原子和嵌入式Fe₃C团簇（FeSA-Fe₃C/NC）的氮掺杂碳材料的方法。DFT计算表明，Fe₃C团簇调控FeSA-Fe₃C/NC内Fe原子位点的d带中心，优化了与反应中间体吸附/解吸相关的能量，同时降低了能量势垒，从而提高了ORR的动力学和活性。为制备高性能储能和转换应用的金属单原子，团簇串联催化剂提供了一种经济有效的策略。

Synergistic Catalysts with Fe Single Atoms and Fe3C Clusters for Accelerated Oxygen Adsorption Kinetics in Oxygen Reduction Reaction

Chunlian Liu, Ruizhe Yang, Jiacheng Wang, Bowen Liu, Xiaowan Chang, Pingxian Feng, Xuanzhen Zhang, Lijie Zhong, Prof. Xiaoli Zhao, Prof. Li Niu, Prof. Shiyu Gan, Prof. Yuebin Xi, Prof. Ming Huang,  Prof. Huan Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202501266