燃料电池、金属-空气电池等可持续清洁能源设备的开发已成为当前的研究热点。由于所涉及的电化学反应动力学缓慢，一定程度上制约了能源装置的储存和转换效率。目前常用的电极反应催化剂是贵金属催化剂，但是由于贵金属价格昂贵、储量有限，阻碍了这类催化剂的大规模工业化应用，因此开发非贵金属催化剂用于高效电化学反应至关重要。杂原子掺杂的非贵金属催化剂因丰富的孔结构、优异的导电性以及可调的电子结构等性质提升了传质效果、暴露了活性位点并增强了催化剂催化性能，在能源存储和转化领域展示出广阔的应用前景。但是，大多数热解Fe/N/C催化剂包含多种Fe基纳米颗粒，严重阻碍了活性Fe-Nx的形成，使得制备的Fe-Nx材料中的Fe单原子含量低于2.0 wt％。另一方面，Fe/N/C材料的催化性能同样受催化剂动力学及其孔结构的影响。因此，制备高表面积、多级孔结构以及高Fe-Nx掺杂的催化剂将有利于高效电催化反应。

针对上述问题，南开大学材料科学与工程学院陈铁红教授团队利用本团队之前报道的多级孔二氧化硅球（NKM-5）作为硬模板，提出了一种简便通用的熔融灌注和介孔限制热解方法制备高含量单原子Fe/N-S共掺杂碳催化剂（FeNx/NC-S）。其中，NKM-5硬模板主要起到了以下作用：1）提供纳米空间来容纳纳米限域热解的前体——在加热过程中，前驱体复合物熔化并通过毛细力被驱入二氧化硅的纳米孔中，并在纳米孔内进行限域热解；2）作为多孔结构和形貌的模板——NKM-5模板经过刻蚀后，可以获得具有680 m² g^-1 表面积的多级孔纳米球催化剂。原料中邻菲罗啉配体可以和铁形成配合物，进而锚定更多的金属铁；硫脲的添加不仅可以提供硫源，而且有助于更多锚定Fe-Nx位点，制备出的FeNx/NC-S催化剂具有铁含量高达3.7 wt％的单原子Fe-Nx活性位点。

图1所示的扫描、透射电镜证实FeNx/NC-S催化剂为多级孔碳纳米球结构。FeNx/NC-S的球差电镜图像和EXAFS结果也证实了单原子Fe位点的存在。

图1. FeNx/NC-S的扫描、透射、球差电镜图和同步辐射结果。

得益于高含量且均匀分散的Fe-Nx位点和多孔结构，FeNx/NC-S在碱性条件下的ORR半波电位高达0.92 V，在电流密度为10 mA cm^-2 时的OER过电位为320 mV。将FeNx/NC-S 电催化剂作为空气电极阴极催化剂，组装的锌空气电池具有较大的功率密度194.5 mW cm^-2，并表现出优异的充放电稳定性。

图2. FeNx/NC-S的ORR、OER活性和锌空气电池性能分析。

本文以“Hierarchically porous Fe/N/S/C nanospheres with high-content of Fe-Nx for enhanced ORR and Zn-air battery performance”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为南开大学材料科学与工程学院陈铁红教授。