段金贵课题组AFM：磷酸辅助策略构筑高负载铁单原子催化剂研究

第一作者：Donghao Xu

通讯作者：段金贵教授， 汪朝旭教授，

单位：南京工业大学，湖南科技大学

全球对可持续能源存储解决方案的需求不断上升，推动了对金属空气电池的广泛研究，锌空气电池（ZAB）因其高理论能量密度，固有安全性和成本效益而成为领先的竞争者。ZAB的广泛商业化受到空气阴极处氧还原反应（ORR）的缓慢动力学的严重阻碍。虽然铂族金属仍然是基准ORR催化剂，但其过高的成本、有限的储量和对中毒的敏感性使得有必要开发高性能、地球丰富的替代品。

近日，来自南京工业大学/新疆大学的段金贵教授与湖南科技大学的汪朝旭教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“A Phosphorus Acid-Assisted Route to High-Loading Single-Atom Iron Catalysts for Advanced Batteries”的研究文章。该研究文章提出了一种磷酸辅助策略，构筑了高负载铁单原子催化剂用于先进电池的研究。这项工作展示了一个多功能的合成平台，能够定制生产具有可调金属负载和杂原子配位的各种金属单原子催化剂，从而为推进催化和储能技术开辟了一条新途径。

本研究成功开发了一种磷酸辅助的合成策略，通过将Fe³⁺和磷酸共同负载于ZIF-8衍生的氮掺杂碳前驱体上，并经一步碳化，成功制备出铁负载量高达7.0 wt.%的单原子催化剂（P–Fe–N/C）。该方法的创新性在于，磷酸的引入有效抑制了高温处理过程中铁原子的迁移与团聚，避免了形成无活性的铁氧化物纳米颗粒，从而实现了铁在碳基质中的高密度、原子级分散，攻克了高负载量单原子催化剂合成的关键难题。

综合多种先进表征技术证实，催化剂中的铁以孤立的单原子形式存在，其主要配位环境为FeN4。理论计算与光谱分析进一步揭示，磷元素的掺杂显著改变了铁活性中心的电子结构，提升了其自旋态，打破了电子态密度的对称性。这种电子调控强化了Fe中心与氧气分子π*轨道的耦合，促进了O2的吸附与O-O键的削弱，从本质上优化了催化剂对氧气的活化能力。

所制备的P–Fe–N/C催化剂在碱性介质中展现出卓越的氧还原反应（ORR）性能，其半波电位高达0.905 V，优于商业Pt/C催化剂。同时，该催化剂具有较高的动力学电流密度、较小的塔菲尔斜率（49.7 mV dec^-1），并能通过近乎100%的4电子转移路径进行高效反应。此外，它还表现出远超Pt/C的长期稳定性与优异的抗甲醇中毒能力，凸显了其作为铂基催化剂替代品的巨大潜力。

在液态和固态锌-空气电池的实际应用中，P–Fe–N/C催化剂均证明了其卓越的实用价值。基于该催化剂的电池器件获得了高开路电压与峰值功率密度（液态电池达168.9 mW cm^-2），并且在大电流放电和长周期循环测试中表现出极小的电压极化和出色的稳定性，能够成功驱动LED灯等商用电子设备，展现了其在下一代高性能、安全能源存储装置中的广阔应用前景。

A Phosphorus Acid-Assisted Route to High-Loading Single-Atom Iron Catalysts for Advanced Batteries

段金贵教授简介：教授，博士生导师，国家级青年人才计划，英国皇家化学会会士，自治区杰青，新疆大学博峰计划，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、首批教育部首批黄大年教学团队骨干、JSPS Fellow。长期从事多孔配位聚合物/多孔配位聚合物膜的设计与合成及其在气体分离和能源转换方面的应用研究。主持国家级（4 项）和省部级等 15 项研究课题。迄今在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.等杂志共发表 SCI 论文 140 余篇，个人H-index 45。

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