受氧還原反應(ORR)緩慢動力學的限制，涉及此反應的能源器件(如金屬-空氣電池和燃料電池)的商業化一直難以取得進一步的突破。近年來，對ORR催化劑的研究越來越集中于設計和開發鐵氮摻雜碳(Fe-N_xC)的單原子催化劑(SACs)。Fe-N_xC SACs可以增加活性Fe位點的比例，同時也提高了對特定反應途徑的選擇性。

一般來說，Fe-N_xC催化劑通常通過熱解含有氮源和鐵源的前驅體來獲得，然而在熱解過程中，Fe原子傾向于聚集成Fe納米粒子和Fe碳化物/氧化物，因此形成的多相復合材料存在較少的原子Fe-N_x位點暴露的問題。同時，Fe-NxC SACs的無孔特性使得氧氣(O₂)分子難以進入碳基質，這也極大地限制了Fe-N_xC催化劑的ORR活性。

基于此，陜西科技大學沈夢霞、段超和新不倫瑞克大學倪永浩(共同通訊)等人提出了一種通過定向冷凍鑄造和化學氣相沉積制備單原子Fe位點錨定多孔N摻雜碳氣凝膠(Fe-SA@PNC)作為高效ORR電催化劑的策略，該策略有效的提升了催化劑的催化性能。

考慮到Fe-SA@PNC的多孔結構和單原子Fe-N₄位點，本文對Fe-SA@PNC進行了的ORR電化學測試。首先，考察了不同配比的生物質纖維素納米纖維(CNF)和高N含量芳綸納米纖維(ANF)對催化劑最終性能的影響。極化曲線表明，Fe-SA@PNC-1:2(CNF與ANF的質量比)比通過其他比例制備的催化劑顯示出更正的起始電位(E_onset)和半波電位(E_1/2)。

研究發現，適量的CNF有利于CAGO(CNF/ANF/GO)氣凝膠的自交聯并保持其三維結構，從而防止在冷凍干燥過程中氧化石墨烯(GO)納米片的聚集。雖然ANF的加入增加了N的含量，但過量的加入會損害CNF的自交聯，使得制備的氣凝膠發生坍塌。通過實驗可知，當CNF/ANF的質量比設定為1:2時，可以引入較高含量的N物質并保持氣凝膠的三維結構，這種協同作用使得Fe-SA@PNC-1:2表現出最佳的催化活性。

之后，本文還分析了不同的孔隙結構對催化劑ORR性能的影響。與定向冷凍干燥法制備的Fe-SA@PNC相比，直接冷凍干燥法制備的氣凝膠的孔隙結構較為紊亂，因此在熱解過程中揮發的Fe原子不易進入氣凝膠內部，這也導致與定向冷凍干燥制備的氣凝膠催化劑相比，直接冷凍干燥法制備的催化劑的Fe單原子活性位點暴露不足，相應地電化學性能也較差。

此外，在0.1 M KOH電解質中，本文通過線性掃描伏安(LSV)曲線和循環伏安(CV)曲線研究了20wt% Pt/C，NC，Fe-SA@NC，PNC和Fe-SA@PNC的ORR電催化性能。

根據LSV可以發現，Fe-SA@NC的E_1/2(0.87 V)和E_onset(0.98 V)均超過了NC(E_1/2=0.58 V，E_onset=0.84 V)，Fe-SA@NC(E_1/2=0.73 V，E_onset=0.88 V)和PNC(E_1/2=0.81 V，E_onset=0.90 V)，而且甚至比20wt % Pt/C(E_1/2=0.83 V，E_onset=0.95 V)還要優異。此外，CV曲線還證明Fe-SA@PNC在0.85 V具有最大的峰值電流,這比NC(0.77 V)，Fe-SA@NC(0.80 V)，PNC(0.81 V)優異，甚至達到了20 wt% Pt/C的水平(0.85 V)且最大峰值電流遠大于20wt %Pt/C。以上結果表明Fe-SA@PNC是一種具有非凡電催化活性的ORR電催化劑，其性能已經優于目前報道的大多數鐵基非貴金屬電催化劑。

在這項工作中，研究人員提出了一種新型的化學氣相沉積策略來制備ORR電催化劑。這一策略巧妙的利用CNF和GO表面的高密度負電荷基團吸附工業廢水中的Cd²⁺，并在熱解過程中引入二茂鐵，最終在Cd揮發的情況下制備了Fe-SA@PNC催化劑。結合本文的表征結果以及測試結果，Fe-SA@PNC優異的ORR性能可以歸因于：

(1)與傳統的熱解法相比，通過吸附和分解氣態二茂鐵生成原子分散的Fe-N₄位點的化學氣相沉積策略可以避免金屬聚集；

(2)在Fe-SA@PNC中建立有序的中孔和大孔蜂窩狀結構的定向冷凍鑄造法可以有效地促進碳氣凝膠內部的傳質過程。更重要的是，CNF和ANF使得GO能夠被良好分散，增強了復合氣凝膠的機械強度；

(3)中等熱解溫度下Cd的揮發產生的豐富微孔有利于Fe-N₄位點的插入，并產生各種碳質缺陷。總之，本文制備的新型碳氣凝膠負載鐵單原子的催化劑在催化和儲能技術方面具有廣闊的應用前景。

Chemical Vapor Deposition Strategy for Inserting Atomic FeN₄ Sites into 3D Porous Honeycomb Carbon Aerogels as Oxygen Reduction Reaction Catalysts in High-Performance Zn-Air Batteries, Chemical Engineering Journal, 2023, DOI: 10.1016/j.cej.2023.142719.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142719.