原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.05.004

文章导读

在全球能源转型与碳中和目标的推动下，开发高效、清洁的储能技术已成为能源领域的核心议题。可充电锌空气电池（ZABs）凭借其高理论能量密度、环境友好、锌资源储量丰富且成本低廉等优势，被认为是下一代极具应用前景的储能器件。铁基催化剂因其可调的电子结构和丰富的活性位点而备受关注，其中Fe-N-C单原子催化剂展现出优异的ORR活性，但传统对称Fe-N₄配位结构过于稳定，导致*OH中间体吸附过强，脱附动力学缓慢，OER性能极差。近年来，构建铁基纳米颗粒与Fe-N-C单原子的复合催化体系被认为是解决上述问题的有效策略，二者之间的界面电子耦合可调控活性中心的电子结构，优化氧中间体的吸附行为。

近日，中国石油大学（北京）杨帆教授与李永峰教授团队通过同轴静电纺丝结合原位热处理的通用策略，成功制备了自支撑碳纳米纤维负载 FeX（X = S, C, P）纳米颗粒与Fe-N-C单原子位点的复合催化剂，系统揭示了不同铁基化合物与Fe单原子的协同催化机制。最优的 FeS/FeSA@CNF催化剂展现出超越贵金属基准的双功能氧电催化性能，组装的锌空气电池具有高功率密度和超长循环稳定性。文章发表在 Green Chemical Engineering（GreenChE），题为 “Synergy FeX (X = S, C, P) nanoparticles with Fe-N-C single-atom sites in carbon nanofibers for efficient bifunctional oxygen electrocatalysis in Zn-air batteries”。

研究亮点

● 采用同轴静电纺丝–原位硫化/磷化/碳化通用制备策略，构筑自支撑碳纳米纤维负载FeX纳米颗粒与Fe-N-C单原子双位点协同催化体系。

● 实验结合DFT计算，系统阐明FeS/FeSA界面电子结构调控与反应动力学优化机制。

● 液态锌空气电池峰值功率密度达116 mW/cm²，稳定循环超150小时，综合性能优于商用贵金属材料。

内容概述

图1是FeX/FeSA@CNF系列催化剂的合成示意图。采用同轴静电纺丝技术，外层溶液以聚丙烯腈（PAN）为碳源和氮源，加入硝酸铁与1,10-菲啰啉形成Fe单原子配位前驱体；内层溶液以聚苯乙烯（PS）为造孔剂，加入硝酸铁作为FeX纳米颗粒的铁源。经270 ℃预氧化和900 ℃原位碳化/硫化/磷化处理，得到具有分级多孔结构的自支撑碳纳米纤维复合催化剂。通过调控1,10-菲啰啉用量、硫/磷源添加量及热处理参数，可精准控制Fe单原子与FeX纳米颗粒的含量及比例。

图1. FeX/FeSA@CNF系列催化剂的合成示意图。

图2展示了FeS/FeSA@CNF催化剂的形貌表征结果。SEM图像显示催化剂由相互交织的连续碳纳米纤维组成，纤维直径约100-200 nm，整体膜材料具有良好的柔韧性。TEM图像可见尺寸小于20 nm的FeS纳米颗粒均匀分散并被封装在碳纳米纤维内部，有效避免了活性位点的团聚和溶解。HRTEM图像中清晰观察到间距为0.303 nm的晶格条纹，对应六方相FeS的(100)晶面。AC-HAADF-STEM图像显示碳基体中存在大量孤立的高亮度原子斑点，证实了原子级分散Fe位点的存在。元素分析EDS mapping结果表明C、N、S和Fe元素在整个纤维区域均匀分布，其中Fe元素同时富集于纳米颗粒区和均匀分散于碳基体中，验证了FeS纳米颗粒与Fe单原子位点的共存结构。Fe₃C/FeSA@CNF和Fe₂P/FeSA@CNF样品也表现出相似的纤维形貌和双活性位点特征。

图2. FeS/FeSA@CNF的形貌表征。

通过XPS、BET和Raman等表征对催化剂的化学价态、孔特性和石墨化程度进行了系统分析（图3）。XPS分析表明，三种催化剂中均存在特征Fe-N键，进一步验证了Fe-N₄位点的存在；FeS/FeSA@CNF中S元素不仅形成Fe-S键，还以C-S-C和C-S-O键的形式掺杂在碳骨架中。BET测试显示三种催化剂具有相近的比表面积（39.62-46.23 m²/g）和分级介孔-大孔结构，有利于电解质渗透和反应传质。Raman光谱表明三种催化剂的I_G/I_D比值在1.10-1.14之间，石墨化程度相近，保证了相似的电子传导能力。

图3. 催化剂的XPS、BET和Raman表征。

在0.1M KOH电解液中测试了催化剂的ORR性能（图4a-d）和OER性能（图4f-h）。FeS/FeSA@CNF表现出最优的ORR活性，起始电位达0.99 V，半波电位为0.89 V，显著优于Fe₃C/FeSA@CNF（0.77 V）、Fe₂P/FeSA@CNF（0.79 V）和商用20% Pt/C催化剂。其Tafel斜率仅为62 mV/dec，表明具有最快的ORR反应动力学。旋转环盘电极（RRDE）测试显示，FeS/FeSA@CNF在0.3-0.8 V电位范围内电子转移数大于3.8，H₂O₂产率低于10%，遵循高效的四电子转移机制。甲醇耐受性测试表明，该催化剂对甲醇几乎无响应，抗中毒能力远优于商用Pt/C（图4e）。FeS/FeSA@CNF在10 mA/cm²电流密度下的过电位仅为240 mV，低于商用RuO₂和另外两种对比催化剂。Tafel斜率为308 mV/dec，证实了其优异的OER反应动力学。经过1000次连续CV循环后，催化剂的OER极化曲线几乎无变化，展现出卓越的循环稳定性。

图4. 催化剂的ORR/OER性能测试。

为了验证催化剂的实际应用潜力，以FeS/FeSA@CNF为空气阴极组装了液态锌空气电池（图5a-c）。该电池展现出高达116 mW/cm²的峰值功率密度，在5 mA/cm²电流密度下可稳定运行超过150小时，充放电电压间隙保持稳定，证明了其优异的长期循环性能。

结合密度泛函理论（DFT）计算揭示了不同FeX/FeSA体系的催化活性差异机制（图5d-f）。计算结果表明，FeS/FeSA界面发生了显著的电荷转移，电子从FeS向相邻的Fe-N₄位点转移，调控了Fe活性中心的电子结构。FeS/FeSA的d带中心更接近费米能级（-0.864 eV），增强了对氧中间体的吸附能力，其ORR决速步（*O→*OH）的能垒仅为1.16 eV，远低于Fe₃C/FeSA（3.36 eV）和Fe₂P/FeSA（1.65 eV）。

图5. 催化剂的锌空气电池测试和DFT模拟计算。

总结与展望

综上所述，本文通过同轴静电纺丝结合原位热处理的通用策略，成功制备了一系列自支撑碳纳米纤维负载FeX纳米颗粒与Fe-N-C单原子位点的双功能氧电催化剂。系统的实验研究和理论计算表明，FeS纳米颗粒与Fe单原子之间的界面电子耦合效应最优，能够有效调控Fe活性中心的电子结构，优化氧中间体的吸附-脱附平衡；同时FeS在OER过程中的原位重构进一步提升了催化活性。最优的FeS/FeSA@CNF催化剂展现出超越贵金属基准的双功能氧电催化性能和稳定性，组装的锌空气电池具有高功率密度和超长循环寿命。该工作不仅揭示了铁基纳米颗粒与单原子位点的协同催化机制，还为设计低成本、高性能的锌空气电池阴极催化剂提供了新的思路和方法。未来可进一步拓展该策略至其他过渡金属基催化体系，开发适用于更广泛能源转换器件的高效电催化材料。

作者简介

杨帆，中国石油大学（北京）教授，博士生导师，主要从事化工新材料的开发及在绿色化工、能源和环境等领域的应用研究工作。在本领域高水平期刊上发表SCI论文146篇，他引5528次，H因子44。申请中国发明专利24项，授权17项，其中，5项已成功实现成果转化（转化金额达2000余万元）。作为负责人承担国家级项目3项，校级项目4项，企业项目12项，出版教材2部，专著1部。2017年中国石油和化学工业联合会技术发明二等奖，2021年获得国家知识产权局中国专利优秀奖。

李永峰，教授，中国石油大学（北京）新能源与材料学院院长，首批海外高层次人才入选者，“国家优秀青年基金”获得者，北京市昌平区政协委员，中国颗粒学会第六、七届理事会理事，中国复合材料学会矿物复合材料专业委员会副主任，第七届石墨及石墨材料产业专业委员会理事等。始终围绕国家重大应用需求，聚焦“石墨烯低成本、绿色、批量制备”的关键瓶颈问题，开展高质量石墨烯材料的制备及应用研究工作，组建了“新型碳材料研究室”团队。累计发表SCI论文300余篇，他引9000多次，连续3年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。主持国自然重点基金1项，面上项目2项，企业横向14项。授权国家发明专利30件，其中实现专利转化17项，相关技术成果转化金额达7000余万元。

文章信息

K. Wei, H. Yu, F. Yang, Y. Sun, S. Li, J. Guo, Y. Li, Synergy FeX (X = S, C, P) nanoparticles with Fe-N-C single-atom sites in carbon nanofibers for efficient bifunctional oxygen electrocatalysis in Zn-air batteries, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.05.004 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子11.9，位列Q1区，最新CiteScore为18.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

竭诚欢迎各位老师同学积极投稿！

E-mail: gce@ipe.ac.cn

Tel: 86-10-82544856

Web: http://www.keaipublishing.com/gce

微信公众号: GreenChemEng

Twitter: GreenChE

Facebook: Journal Greenche

科学网: GreenChE

关注我们，获取最新绿色化学工程资讯。

支持单位：