氮配位金属单原子催化剂（
M-N-C SACs
），尤其是具有
M-N
4
配位
构型并负载
于
碳
基底
中的催化剂，已成为提升氧还原反应（
ORR
）动力学性能的研究前沿。然而，由于
M-N
4
的高度平面
D
4h
对称构型，其对氧中间体的吸附
能力受限
，导致
ORR
过程能垒过高
。
同时
，碳基底的结构设计也面临重大挑战
，
具体而言，
由于
金属
单
原子
具有较高的
表面能和迁移率，以及金属离子与碳基材之间较弱的结合力，容易导致金属原子迁移和聚集。此外，跨多相界面的传质问题也不容忽视。一方面，为了尽量减少催化剂
/
电极界面上的电子转移
阻力
，需要在碳基质内建立高速的电子
传导
通道；另一方面，导电碳衬底通常具有密集堆叠结构，对反应物的传输造成严重阻碍，甚至堵塞活性位点。因此，设计具有足够
锚定位点
、分层
多
孔和相互连通导电网络的碳
质载体
至关重要。
针对以上问题，
陕西科技大学
“
生物质化学与材料
”
院士创新团队沈梦霞副教授课题组
在
SMALL
期刊发表题为
“Biological Neural Network-Inspired Micro/Nano-Fibrous Carbon Aerogel for Coupling Fe Atomic Clusters With Fe-N
4
Single Atoms to Enhance Oxygen Reduction Reaction”
的研究论文，团队成员
孙姣姣
为论文第一作者，陕西科技大学
沈梦霞
副
教授、加拿大新布伦瑞克大学
倪
永浩
教授和香港科技大学
王蓬勃
为论文共同通讯作者。
该研究受生物神经网络启
发，成功构建了原
子级分散的
Fe-N
4
单原子（
Fe SAs
）和
Fe
原子
簇
（
Fe ACs
）协同负载的壳聚糖基微纤维
/
纳米纤维碳气凝胶（
CMNCA-Fe
SA+AC
）。理论分析揭示了
Fe SAs/ACs
优化其电子结构并有效降低了
ORR
反应能垒，多尺度纤维碳基质牢固锚定了
Fe SAs/ACs
位点，而通过定向冷冻铸造方法形成的
分级多孔网络结构则进一步加快了质量传输和电子传导
。基于
CMNCA-Fe
SA+AC
催化剂卓越的
ORR
催化性能，他们将其应用于多种不同形态的高性能锌空电池。
图
1
（
a
）
人类生物神经网络（
BNN
）系统和基本功能单元
;
（
b
）
BNN
启发的
微
/
纳米纤维碳气凝胶，用于偶联
Fe
原子簇和
Fe-N
4
单原子以提高
ORR
。
生物体内的神经信号网络系统，由众多神经元通过突触互连构成错综复杂的神经通路，能够在大脑内无数神经元之间实现高效的信息交换和处理。神经元主要包含胞体（中心成分，
0D
）、树突和轴突（用于接收和发送信号的纤维成分，
1D
），从而确保在低维水平上进行
快速的信
号处理。此外，随着无数神经元在层状（
2D
）和空间（
3D
）维度内形
成复杂的网络，生物体得以实现智能和高速运转。
受此启发，本研究创新性地构建了一种
Fe-N
4
单原子（
Fe SAs
）和
Fe
原子簇（
Fe AC
s
）协同负载的壳聚糖基微纤维
/
纳米纤维碳气凝胶（
CMNCA-Fe
SA+AC
）。其仿生拓扑结构如
图
1
所示，仿生概念表现在以下几个方面：（
1
）类细胞体功能单元由密集分散的
Fe-N
4
单原子
/Fe
原子团
簇构成，用于实现
O-O
键裂解和降低
ORR
反应能垒。（
2
）壳聚糖与金属离子（
Fe/Cd
）螯合并发生原纤化，微
/
纳米纤维束转化为碳化的微
/
纳米纤维，其功
能类似轴
突和树突
，
多尺度
1D
碳纤维为电子转移提
供了快速通道。
（
3
）通过采用简便的定向冷冻干燥和碳化策略，碳气凝胶呈现出由排列整齐且连续的层状块体构建而成的三维蜂窝状结构。
图
2.
(a) CMNCA-Fe
SA+AC
的制备流程。
(b,c) CMNA-Fe/Cd
神经网络状结构的扫描电子显微镜（
SEM
）和透射电子显微镜（
TEM
）图像。
(d,e) CMNA-Fe/Cd
的三维蜂窝状多孔结构的
SEM
图像。
(f) CMNA-Fe/Cd
和
CMNCA-Fe
SA+AC
在绿叶上的数码照片。
(g) CMNA-Fe/Cd
的扫描透射电子显微镜（
STEM
）及其相应的元素分布图像。
(h) CMNA-Fe/Cd
、
CMNA-Fe
、
CMNA
和
CS
的傅里叶变换红外光谱（
FT-IR
）
。
图
3. (a) CMNCA-Fe
SA+AC
的
SEM
图像和
(b)
球差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（
AC HAADF-STEM
）图像。
(c) CMNCA-Fe
SA+AC
、
CMNCA-Fe
SA
和
CMNCA
的
X
射线衍射（
XRD
）谱。
(d) CMNCA-Fe
SA+AC
和
CMNCA-Fe
NP
的氮气吸附
-
脱附等温线。
(e) CMNCA-Fe
SA+AC
的高分辨率
N 1s XPS
光谱。
CMNCA-Fe
SA+AC
、
CMNCA-Fe
SA
、
Fe
箔、
FePc
和
Fe
2
O
3
的
(f)
归一化
Fe-k
边
XANES
谱和
(g)
傅里叶变换（
FT
）
k
2
加权
EXAFS
谱。
(f)
Fe
箔
、
FePc
和
CMNCA-Fe
SA+AC
的小波变换（
WT
）
EXAFS
光谱。
图
4. CMNCA-Fe
SA+AC
、
CMNCA-Fe
SA
、
CMNCA-Fe
NP
、
CMNCA
和
Pt/C
对应的
(a) LSV
曲线，
(b)
CV
曲线和
(c)
塔菲尔曲线。
(d) CMNCA-Fe
SA+AC
在不同转速下的
LSV
曲线。
(e)
ORR
电子转移数和
H
2
O
2
产率，
(f)
计时电流测试（
i-t
），以及
(g)
甲醇耐受性测试。
(i) CMNCA-Fe
SA+AC
与先前报道的催化剂的比较。
图
5.
(a) CMNCA-Fe
SA+AC
和
CMNCA-Fe
SA
的
(a)
计算模型
, (b)
相应的
O
2
吸附模型，
(c) U=0 V
和
(d) U=1.23 V
时的
ORR
吉布斯自由能变化
, (e) Fe d
轨道的投影态密度。
(f) CMNCA-Fe
SA+AC
和
CMNCA-Fe
SA
的
*OH
的电荷密度差。
图
6.(a) CMNCA-Fe
SA+AC
作为空气阴极的水系锌空气电池（
AZAB
）示意图。基于
Pt/C-RuO
2
和
CMNCA-Fe
SA+AC
为阴极的锌
-
空气电池的
(b)
开路电压（
OCV
）曲线，
(c)
放电极化和功率密度曲线，
(d)
