近日，我校木本油料资源利用全国重点实验室/生物质材料科学与技术教育部重点实验室李坚、高丽坤团队在中国卓越期刊Research上发表了题为Dual‑Confinement Strategy Enables Highly Efficient Oxygen Reduction with Fe–N5 Electrocatalysts的研究论文。该研究以木材骨架空间和Fe3+离子配位共限域策略构建高效氧还原反应（ORR）单原子催化剂，并通过同步辐射X射线吸收光谱（XAS）表征与密度泛函理论（DFT）计算相结合，系统阐明了Fe–N5配位微环境调控的核心机制，为生物质材料高值化利用及新能源器件开发提供了新思路。
研究指出，Fe单原子催化剂（Fe−N−C）是替代铂基催化剂最具前景的非贵金属ORR电催化剂之一。然而，传统合成方法常面临金属易团聚、活性位点结构难以精准调控等挑战。如何通过调控Fe位点的配位环境与电子结构，同时构筑有利于传质的分级孔道结构，以突破催化剂本征活性与稳定性瓶颈，仍是领域内的核心难题。
在研究过程中，研究团队提出以脱木质素木材、改性纤维素纳米晶为生物质原料，构建木材骨架空间与Fe3+配位共限域自组装体系，热解制备氮硫共掺杂多级孔Fe–N5单原子催化剂。木材骨架实现宏观空间约束，Fe3+离子配位微观锚定金属位点，有效抑制高温金属团聚，形成贯通多级孔道。
XAS与DFT计算表明，Fe–N5活性位点中每个Fe原子与四个吡啶N和一个轴向吡咯N配位，同时T-CNCs残留的硫酸酯基团（–OSO₃H）实现原位S掺杂，以及邻近微孔的协同作用，有效调控了Fe中心的电子结构，降低了*OH脱附能垒，加速了ORR动力学。该催化剂在碱性介质中展现出优异的ORR活性，半波电位（E1/2）高达0.964 V，远超商业Pt/C催化剂（0.884 V），并在锌-空气电池中实现了1.51 V的开路电压、150.0 mW cm-2的峰值功率密度及超过250 h的稳定充放电循环。
论文连接：https://doi.org/10.34133/research.1333
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