Concise Report

Hybrid Fe-N-C Catalyst Integrating Single-Atom Fe and Nanoscale CeO2 towards Efficient Oxygen Reduction Reaction for Zinc-Air Batteries

Yangfan Pei, Jianfeng Zuo, Xiannong Tang, Longbin Li, Ting Hu, Dirk Lützenkirchen-Hecht, Kai Yuan,* and Yiwang Chen*

Developing high-performance, durable, and cost-effective oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is essential for advancing next-generation energy devices like zinc-air batteries (ZABs). Herein, we engineer a hybrid Fe-N-C catalyst (FeSA-FeNP/CeO2@NC) integrating atomically dispersed Fe-Nx sites, Fe nanoparticles, and oxygen vacancy-rich CeO2 nanoparticles within a nitrogen-doped carbon matrix. Interfacial charge transfer and oxygen vacancy-mediated electron redistribution, synergistically enhanced by strong metal-support interactions (SMSI), optimize the electronic configuration of Fe-Nx sites and reduce their electron density. The resulting catalyst exhibits exceptional ORR activity and stability, featuring a half-wave potential of 0.925 V (vs. RHE) in alkaline media and minimal degradation (1% and 2.8% negative shifts after 10,000/20,000 cycles). In ZABs, it achieves a peak power density of 310.29 mW·cm?2 while sustaining stable operation for over 600 h. This work demonstrates dual role of CeO2in enhancing activity and stability, establishing a design principle for high-performance electrocatalysts in energy conversion systems.

Fe-N-C catalysts | CeO2 nanoparticles | Oxygen reduction reaction | Durability | Zinc-air batteries | Catalytic activity | Electrocatalysis | Metal nanoparticles

單原子Fe聯(lián)手納米CeO2：新型雜化催化劑實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定氧還原

為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的全球能源危機(jī)與環(huán)境挑戰(zhàn)，開發(fā)高效、廉價(jià)的下一代能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。其中，鋅-空氣電池因其高理論能量密度、安全性及環(huán)境友好性而備受矚目。近年來，陳義旺、袁凱團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202502019; Adv. Mater. 2025, 37, 2417711; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, 64, e202501506; Adv. Mater., 2025, 37(12), 2500096; Nat. Commun. 2024, 15, 6077; Adv. Mater., 2024, 36, 2308326; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62(33), e202306667; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62(22), e202301642; Adv. Mater., 2023, 35(5), 2208942.）。

近日，袁凱、陳義旺等研究團(tuán)隊(duì)通過將原子級分散的Fe-N?位點(diǎn)、Fe納米顆粒與富氧空位的CeO?納米顆粒集成于氮摻雜碳基質(zhì)中，成功構(gòu)建了一種新型雜化Fe-N-C催化劑（FeSA-FeNP/CeO2@NC）。該催化劑通過氧空位介導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移與強(qiáng)金屬-載體相互作用（SMSI），協(xié)同調(diào)控Fe-N?位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)，降低其電子密度，從而顯著提升ORR活性與穩(wěn)定性。在堿性介質(zhì)中，其半波電位高達(dá)0.925 V (vs. RHE)，優(yōu)于商用Pt/C，并在10000次和20000次循環(huán)后僅出現(xiàn)1%和2.8%的衰減，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐久性。當(dāng)應(yīng)用于鋅空氣電池時(shí)，該催化劑實(shí)現(xiàn)了310.29 mW cm-2的峰值功率密度，并在20 mA cm-2下穩(wěn)定運(yùn)行超過600小時(shí)。柔性全固態(tài)鋅空氣電池也展現(xiàn)出良好的性能與循環(huán)穩(wěn)定性。該研究不僅揭示了CeO2在電子調(diào)控與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定中的雙重作用，也為設(shè)計(jì)高性能非貴金屬電催化劑提供了新思路。

圖1 展示催化劑的合成路徑、微觀形貌與原子級局域結(jié)構(gòu)。

圖2 揭示CeO?引入引發(fā)的電子結(jié)構(gòu)重構(gòu)與氧空位介導(dǎo)的電荷再分配。

圖3 證實(shí)催化劑具有優(yōu)異的氧還原反應(yīng)活性、動(dòng)力學(xué)與穩(wěn)定性。

圖4 通過原位電化學(xué)分析量化單原子位點(diǎn)密度。

圖5 驗(yàn)證催化劑在液態(tài)與柔性鋅-空氣電池中均展現(xiàn)出高性能與應(yīng)用潛力。

該研究成果發(fā)表于Chin. J. Chem. (2026, 44, 80-88, DOI: 10.1002/cjoc.70315)。該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、江西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

認(rèn)識本文的作者們

Left to Right: Yangfan Pei, Jianfeng Zuo, Xiannong Tang, Longbin Li, Ting Hu, Dirk Lützenkirchen-Hecht, Kai Yuan, and Yiwang Chen

陳義旺教授簡介

陳義旺教授：南昌大學(xué)和江西師范大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選國家“萬人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，國家百千萬人才工程，德國洪堡獎(jiǎng)學(xué)金獲得者，享受國務(wù)院特殊津貼，俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士。2019年起歷任江西師范大學(xué)副校長，副書記，2022年任贛南師范大學(xué)校長，南昌大學(xué)高分子及能源化學(xué)研究院院長，江西師范大學(xué)氟硅能源材料與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，江西省化學(xué)化工學(xué)會(huì)理事長，中國化學(xué)會(huì)會(huì)士，教育部科技委委員，《Chinese J. Polym. Sci.》《Science China Materials》《eScience》《Fundamental Research》等編委。主持和完成國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目/中德國際合作項(xiàng)目等、科技部973前期研究專項(xiàng)等項(xiàng)目。以第一作者或通訊作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇；獲授權(quán)發(fā)明專利49項(xiàng)；撰寫中英文專著2部，教材2部。作為第一完成人獲江西省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎(jiǎng)、中國發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、江西省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)和二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、中國僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、獲全國寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)。

袁凱教授簡介

袁凱教授：南昌大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家級青年人才，南昌大學(xué)和德國伍珀塔爾大學(xué)雙博士學(xué)位，主要從事儲(chǔ)能新材料技術(shù)與器件集成方面的研究。以第一或通訊作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., CCS Chem.等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，一篇論文入選2020年度中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文；主編教材一部，撰寫英文書籍一章；擔(dān)任eScience, SusMat, SmartMat, CarbonEnergy和Energy Mater.期刊青年編委。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等5項(xiàng)、江西省杰出青年科學(xué)基金，獲博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、江西省“人才計(jì)劃”、青年井岡學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃和科技創(chuàng)新杰出青年人才支持計(jì)劃。入選江蘇省雙創(chuàng)人才、江海英才計(jì)劃和東疆英才計(jì)劃；獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、省級教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。