导语
锌空气电池的商业化应用受限于阴极氧还原反应动力学缓慢和贵金属催化剂成本高昂。吉林大学蒋青、杨春成团队在Nano Letters上发表创新研究成果，通过90秒超快速热冲击策略，成功构建了一种独特的四位点协同催化剂（FeSA/ZnAC-N-C），实现了氧还原反应性能的突破性提升，为锌空气电池的宽温域应用提供了新材料解决方案。
研究亮点
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超快合成：90秒热冲击技术实现催化剂快速制备，大幅提升合成效率
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创新结构：构建Zn团簇与Fe-N₄位点协同的四位点系统，形成双活性中心接力机制
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卓越性能：半波电位达0.90 V，优于商用Pt/C催化剂
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宽温域应用：组装的准固态电池在-30至60°C范围内保持稳定性能
图文解析
图1展示了催化剂的合成策略与结构特征。通过尺寸匹配限域效应将Fe前驱体植入ZIF-8空腔，再经90秒热冲击形成Zn原子团簇与Fe-N₄位点协同的四位点结构。HAADF-STEM图像证实了单原子与原子簇的共存，EDS mapping显示元素分布均匀，材料具有高比表面积和丰富的缺陷位点。
图2通过X射线吸收谱分析了材料的局部配位结构。Fe K边XANES表明Fe价态介于+2与+3之间，FT-EXAFS证实了Fe-N₄位点的形成及其与Zn团簇的近距离相互作用。Zn K边分析确认了超小Zn团簇的形成，为协同催化提供了结构基础。
图3展示了催化剂的电化学性能。FeSA/ZnAC-N-C表现出优异的ORR活性，半波电位达0.90 V，Tafel斜率低至46.4 mV·dec⁻¹，且具有优异的稳定性和甲醇耐受性，显著优于Pt/C催化剂。
图4通过理论计算揭示了催化机制。DFT与MD模拟表明，Zn团簇负责O₂的吸附活化，远端Fe-N₄位点促进H₂O的形成脱附，形成双活性中心接力机制，显著降低了反应能垒。
图5展示了锌空气电池的实际性能。基于该催化剂的电池峰值功率密度达161.5 mW·cm⁻²，比放电容量高达792.7 mAh·g⁻¹，组装的准固态电池在宽温域（-30~60°C）和大尺寸条件下均保持稳定输出。
技术支撑
本研究采用的超快速热冲击技术，其成功实施依赖于几个关键工艺要素：
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瞬时高温控制：实现毫秒级升降温，需要设备具备极高的热响应速度
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精确温度管理：稳定的温度场分布确保材料结构一致性
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气氛精密调控：惰性气氛保护防止活性组分氧化失活
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工艺重复性：批间稳定性对催化性能一致性至关重要
该研究中采用的热处理方案，其技术参数与现有高温技术平台的性能指标高度匹配，特别是在超快速热管理和气氛控制方面的技术要求，为实验的成功实施提供了重要保障。
总结与展望
本研究通过超快速热冲击技术成功构建了四位点协同催化剂，解决了锌空气电池氧还原反应动力学缓慢的关键问题。该催化剂不仅表现出优异的电化学性能，还实现了宽温域下的稳定运行，为下一代金属-空气电池的发展提供了新的材料设计思路。
该工作为高效催化剂的绿色制备提供了新范式，未来可进一步探索该策略在其他能源转换体系中的应用潜力，推动清洁能源技术的发展。
文献信息：
Ying Zhang, Li Bo Chen, Xu Liu, et al.
A Unique Quadruple-Site System Integrating Fe-N4 Sites and Zn Atomic Clusters for Oxygen Reduction Reaction and Wide-Temperature Zn--Air Batteries.
Nano Letters, 2025.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c03682