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  氮配位金屬單原子催化劑（M-N-C SACs），尤其是具有M-N₄配位構型并負載于碳基底中的催化劑，已成為提升氧還原反應（ORR）動力學性能的研究前沿。然而，由于M-N₄的高度平面D_4h對稱構型，其對氧中間體的吸附能力受限，導致ORR過程能壘過高。同時，碳基底的結構設計也面臨重大挑戰(zhàn)，具體而言，由于金屬單原子具有較高的表面能和遷移率，以及金屬離子與碳基材之間較弱的結合力，容易導致金屬原子遷移和聚集。此外，跨多相界面的傳質問題也不容忽視。一方面，為了盡量減少催化劑/電極界面上的電子轉移阻力，需要在碳基質內建立高速的電子傳導通道；另一方面，導電碳襯底通常具有密集堆疊結構，對反應物的傳輸造成嚴重阻礙，甚至堵塞活性位點。因此，設計具有足夠錨定位點、分層多孔和相互連通導電網絡的碳質載體至關重要。

  針對以上問題，陜西科技大學“生物質化學與材料”院士創(chuàng)新團隊沈夢霞副教授課題組在SMALL期刊發(fā)表題為“Biological Neural Network-Inspired Micro/Nano-Fibrous Carbon Aerogel for Coupling Fe Atomic Clusters With Fe-N₄ Single Atoms to Enhance Oxygen Reduction Reaction”的研究論文，團隊成員孫姣姣為論文第一作者，陜西科技大學沈夢霞副教授、加拿大新布倫瑞克大學倪永浩教授和香港科技大學王蓬勃為論文共同通訊作者。

圖1 （a）人類生物神經網絡（BNN）系統(tǒng)和基本功能單元;（b）BNN啟發(fā)的微/納米纖維碳氣凝膠，用于偶聯(lián) Fe 原子簇和Fe-N₄單原子以提高ORR。

  生物體內的神經信號網絡系統(tǒng)，由眾多神經元通過突觸互連構成錯綜復雜的神經通路，能夠在大腦內無數神經元之間實現高效的信息交換和處理。神經元主要包含胞體（中心成分，0D）、樹突和軸突（用于接收和發(fā)送信號的纖維成分，1D），從而確保在低維水平上進行快速的信號處理。此外，隨著無數神經元在層狀（2D）和空間（3D）維度內形成復雜的網絡，生物體得以實現智能和高速運轉。 

圖6.(a) CMNCA-Fe_SA+AC作為空氣陰極的水系鋅空氣電池（AZAB）示意圖�；�Pt/C-RuO₂和CMNCA-Fe_SA+AC為陰極的鋅-空氣電池的 (b) 開路電壓（OCV）曲線， (c) 放電極化和功率密度曲線，(d) 不同電流密度下的放電曲線，(e) 10 mA cm^-2下的比容量測試曲線，以及（f）放電和充電循環(huán)測試�；�CMNCA-Fe_SA+AC空氣陰極的 (g) 固態(tài)鋅-空氣電池（SZAB）和 (h) 紐扣型鋅-空氣電池（ZACC）示意圖�；�Pt/C-RuO₂和CMNCA-Fe_SA+AC為陰極的鋅-空氣電池的 (i，j) 放電極化和功率密度曲線及 (k，l) 放電和充電循環(huán)測試。

  總之，受生物神經網絡啟發(fā)，本研究設計出原子級分散Fe-N₄單原子（Fe SAs）與Fe原子簇（Fe ACs）協(xié)同負載的殼聚糖微/納米纖維碳氣凝膠（CMNCA-Fe_SA+AC）。該體系包含類神經元特性的Fe-N₄/Fe AC耦合活性位點，以及殼聚糖微/納米纖維交織形成的二維層狀和三維蜂窩狀形態(tài)。DFT計算揭示了Fe-N₄單原子與Fe ACs協(xié)同調節(jié)ORR中間體的吸附和解吸方面的作用。因此，CMNCA-Fe_SA+AC不僅表現出卓越的ORR活性和穩(wěn)定性，而且可以組裝成水系和固態(tài)的ZAB以發(fā)揮高功率密度和穩(wěn)定的充放電循環(huán)。這項研究為通過仿生工程設計先進能源存儲和轉換技術的催化劑提供了新的視角。

  文章鏈接

  Biological Neural Network-Inspired Micro/Nano-Fibrous Carbon Aerogel for Coupling Fe Atomic Clusters With Fe-N₄ Single Atoms to Enhance Oxygen Reduction Reaction 

  https://doi.org/10.1002/smll.202500419

作者簡介：

沈夢霞，副教授，碩士生導師，陜西省高層次人才引進計劃入選者、陜西科技大學青年拔尖人才、“生物質化學與材料”院士創(chuàng)新團隊骨干成員。主要研究方向為生物質基功能材料及其在新能源器件、電磁屏蔽/電磁波吸收等領域的應用。以第一或通訊作者在Energy Storage Mater., Small, Chem. Eng. J., Nano Energy, J. Colloid Interface Sci.等期刊發(fā)表論文30余篇，其中5篇入選ESI高被引論文，申請國家發(fā)明專利10余項。主持國家自然科學基金項目、教育部留學基金資助國際高層次人才培養(yǎng)項目、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省自然科學基金及企業(yè)技術服務項目等各類科技項目10余項。 

團隊近期研究工作匯總：

1.Biological neural network-inspired micro/nano-fibrous carbon aerogel for coupling Fe atomic clusters with Fe-N₄ single atoms to enhance oxygen reduction reaction,Small 2025, 2500419. https://doi.org/10.1002/smll.202500419.

2.Cascade protection strategy for anchoring atomic FeN₃ sites within defect-rich wood carbon aerogel for high-performance Zn-air batteries and versatile application,Chemical Engineering Journal 2025, 503, 158551.

3.Promoting electromagnetic wave absorption performance by integrating MoS₂@Gd₂O₃/MXene multiple hetero-interfaces in wood-derived carbon aerogels, Small 2024, 20(12), 2306915.

4.Breaking the N-limitation with N-enriched porous submicron carbon spheres anchored Fe single-atom catalyst for superior oxygen reduction reaction and Zn-air batteries, Energy Storage Materials, 2023, 59, 102790.

5.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, 464, 142719.

6.Vapor deposition strategy for implanting isolated Fe sites into papermaking nanofibers-derived N-doped carbon aerogels for liquid Electrolyte-/All-Solid-State Zn-Air batteries,Journal of Colloid and Interface Science 2024, 673, 453.

7.Cellulose nanofibers carbon aerogel based single-cobalt-atom catalyst for high-efficiency oxygen reduction and zinc-air battery. Journal of Colloid and Interface Science 2023,629, 778-785.

8.PMDI cross-linked rare earth/liquid metal reinforced ANF/MXene membranes for multifunctional electromagnetic interference shielding,Composites: Part A: Applied Science and Manufacturing 2024, 182, 108178.