图1展示了FeN4O/NC催化剂的制备和微观结构特征。图1a中的示意图和温度-电流-时间曲线说明了通过14个周期的超快焦耳加热处理制备FeN4O/NC的过程，每个周期包括3秒的加热和6秒的冷却，达到约1300K的最高温度。SEM和TEM图像（图1b和c）显示了FeN4O/NC为十二面体形态的单分散纳米颗粒。HRTEM图像（图1d）和EDS元素分布图（图1e和f）揭示了Fe、N、O元素在NC基质上的均匀分布，而AC HAADF-STEM图像（图1g）进一步确认了Fe原子在FeN4O/NC中的原子级分散。这些结果表明，FeN4O/NC具有优异的分散性和均匀的元素分布，为其高效的氧还原反应活性提供了结构基础。
图2通过XANES和EXAFS光谱分析揭示了FeN4O/NC中Fe的氧化状态和配位环境。图2a的XANES光谱显示FeN4O/NC的吸收边介于Fe箔和Fe2O3之间，指示Fe原子处于正价态。图2b的EXAFS光谱未在FeN4O/NC中检测到Fe-Fe路径的主峰，表明Fe原子在结构中以原子级分散。图2c的WT-EXAFS分析揭示了FeN4O/NC中轻原子配位的最大WT强度，位于1.48 Å处，转换到约7.0 Å-1，与Fe箔和Fe2O3的WT强度不同，进一步验证了Fe位点的单独分布。图2d的FT-EXAFS R空间拟合曲线为FeN4O/NC提供了Fe-N(O)配位的直接证据。图2e的高分辨率XPS Fe 2p光谱显示FeN4O/NC中Fe 2p3/2和Fe 2p1/2峰分别位于约710.6 eV和724.3 eV，对应于Fe-N/Fe-O键。图2f的N 1s XPS光谱将FeN4O/NC中的N分为几种不同的化学状态，包括吡啶型N、金属N、吡咯型N、石墨型N和氧化N。图2g的O 1s XPS光谱显示FeN4O/NC中低配位氧的强度峰较FeN4/NC有所降低，表明轴向氧配体对FeN4位点的电子结构有显著影响。这些结果共同揭示了FeN4O/NC中Fe原子的配位状态和化学环境，为理解其催化活性提供了重要信息。
图3展示了FeN4O/NC催化剂的ORR性能评估。图3a展示了FeN4O/NC相较于其他催化剂具有更正的半波电位（E1/2）0.903 V（相对于RHE），表明其出色的ORR活性。图3b显示FeN4O/NC在0.85 V时的极限电流密度（Jk）最高，优于NC、FeN4/NC和Pt/C。图3c的Tafel斜率测试表明FeN4O/NC具有较低的斜率值33.2 mV dec-1，意味着更快的反应动力学。图3d显示FeN4O/NC在0.2-0.8 V电位范围内的HOO-产率低于5%，表明其高效的四电子转移途径。图3e和图3f通过加速稳定性测试（ADT）和计时电流测量展示了FeN4O/NC出色的耐久性，优于Pt/C催化剂。图3g至图3i展示了FeN4O/NC作为空气阴极催化剂的锌空气电池（ZAB）性能，其中图3g为ZAB的示意图，图3h显示FeN4O/NC基ZAB的峰值功率密度为226 mW cm-2，高于商业Pt/C基ZAB的165 mW cm-2，而图3i显示FeN4O/NC基ZAB具有762 mAh g-1的超高比放电容量，高于商业Pt/C基ZAB的715 mAh g-1，证实了FeN4O/NC在能量转换和存储应用中的潜力。
图4通过通过密度泛函理论（DFT）计算，进一步揭示了轴向氧配体对FeN4位点的影响及其对氧还原反应（ORR）活性的增强效果。图4a展示了FeN4/NC和FeN4O/NC位点的原子结构模型，为理解其催化机理提供了基础。图4b提出了FeN4O/NC催化剂上的ORR机制，说明了反应过程中的电子转移路径。图4c展示了FeN4O/NC和FeN4/NC活性位点上O2还原为OH-的吉布斯自由能图，显示在零电极电位下所有基本步骤的放热性质。在1.23 V的电极电位下，两个模型的ORR最后一个基本步骤（OH*还原为OH-）具有最高的自由能差异，表明这是速率决定步骤（RDS）。图4d计算了FeN4O/NC的ORR过电位（ηORR）值为0.41 V，远低于FeN4/NC的0.64 V，表明FeN4O/NC位点在ORR过程中热力学上更为有利。FeN4O/NC的热力学极限电位高达0.82 V，高于FeN4/NC的0.59 V，进一步证明了FeN4O/NC具有优异的电催化ORR活性。FeN4O/NC位点上O的吸附能低于FeN4/NC，表明FeN4O/NC位点对含氧中间体的吸附减弱，从而提高了电催化ORR动力学。
