背景介绍
近年来，作为新型能源设备的金属空气电池和燃料电池因具有环境友好和能量转换效率高等优点，从而受到人们广泛关注。然而，在设备阴极上发生的氧还原反应（ORR）因涉及复杂的多电子转移过程而表现出缓慢的动力学，这严重阻碍了设备的商业化发展。因此，为克服上述问题亟需开发低价高效的ORR电催化剂。具有丰富的氧化态和优异的耐腐蚀性的铁基氧化物（如Fe3O4）在催化ORR上表现出巨大的应用潜力。据报道，调节金属d带中心可以有效地改变催化剂对反应中间体的化学吸附行为。此外，3d-4f之间的轨道耦合效应可以显著地调节3d过渡金属的d带中心和亲电性，以增强电催化剂的本征活性。
成果简介
南京师范大学唐亚文&徐林团队报道了一种利用静电纺丝技术将异质纳米粒子Fe3O4/CeO2原位锚定在氮掺杂碳纳米纤维中（记作Fe3O4/CeO2@N-CNFs）的高效电催化剂。得益于有序多孔的微观形貌和对含氧中间体合适的化学吸附行为，Fe3O4/CeO2@N-CNFs表现出优异的氧还原催化活性和稳定性。因此，以Fe3O4/CeO2@N-CNFs+RuO2作为空气阴极组装的锌-空气电池展现出比商业化Pt/C+RuO2基锌-空气电池更高的峰值功率密度、更大的比容量和更久的长期循环稳定性，这进一步说明了本文所设计的催化剂在实用能源设备中的应用潜力。
图文导读
图1 （a)Fe3O4/CeO2@N-CNFs的合成过程示意图。（b）-（d）SEM图像，（e）-（f）TEM图像，（g）Fe3O4/CeO2@N-CNFs的HRTEM图像，（h）-（i)Fe3O4 (440）和CeO2(220)的晶格条纹和积分像素强度，（j）HAADF-STEM图像和元素映射图像。
图2（a） XRD图，（b）拉曼光谱，（c）N2吸附-解吸等温线（插图：孔径分布曲线），（d）Fe2p XPS光谱（e）Ce 3d XPS光谱，（f）Fe3O4/CeO2界面处电子和空穴的空间分布示意图。
图3不同催化剂的ORR性能评估。（a）CV曲线，（b）LSV极化曲线，（c）Tafel图，（d）Fe3O4/CeO2@N-CNFs的HO2-百分比和电子转移数（插图：RRDE曲线），（e）甲醇耐受性试验（f）电流密度与时间的相对保持率，（g）全部催化剂性能指标比较，（h）Fe3O4/CeO2@N-CNFs与其他报道的Fe3O4基催化剂对比图。
图4 Fe3O4/CeO2@N-CNFs以及Pt/C催化剂的ZAB性能评估。（a） ZAB的配置示意图，（b）开路电压，（c）由两个串联的基于Fe3O4/CeO2@N-CNFs+RuO2的ZAB供电的LED图（d）比容量曲线，（e）倍率性能，（f）放电曲线和功率密度，（g）5 mA cm-2下的长期循环性能。
图5 DFT计算。（a）Fe3O4（440）模型，（b）CeO2（220）模型，（c）Fe3O4/CeO2异质结中的电荷密度差，（d）Fe3O4的DOS，（e）CeO2的DOS，（f）Fe物种中d带中心变化对改变含O中间体强度影响示意图，（g）Fe3O4和Fe3O4/CeO2的ORR自由能图。
作者简介
唐亚文，南京师范大学教授、博士生导师，化学与材料科学学院院长、中国化学会理事、江苏省化学化工学会理事、江苏省电化学专业委员会主任、江苏省新型动力电池重点实验室主任、江苏省氢燃料电池汽车产业研究中心委员、江苏省教育学会化学教学会理事长。主要研究方向为能源材料、电化学。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Nano Energy, ACS Nano, Chem. Sci.等期刊发表论文300余篇，申报和授权国家发明专利36件。主编教材/专著3部、主持国家863项目和国家自然科学基金项目等8项、省部级4项。获江苏省教学成果二等奖两项，省科学技术奖两项。南京师范大学奕熙精英教师奖、教书育人奖、师德先进个人奖获得者。
徐林，南京师范大学化学与材料科学学院副教授，硕士生导师，江苏省高校“青蓝工程”优秀青年教师。2010年在南京大学化学化工学院获得博士学位。2010-2015年先后在美国印第安纳大学化学系和新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究。2015年7月以海外高层次人才加入南京师范大学化学与材料科学学院。目前的主要研究方向为纳米电化学与化学电源。迄今以一作或通讯作者发表70余篇，其中包含ACS Nano、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Small、Appl. Catal. B和J. Mater. Chem. A等，十余项国家发明专利已被受理。先后主持国家自然科学面上项目、国家自然科学青年基金、江苏省自然科学基金面上项目和江苏省高校自然科学基金面上项目等。担任Nanoscale、Nanoscale advances和Soft Science等杂志顾问编委。
文章信息
Liu J, Yin J, Lin Y, et al. Engineering of Fe d-band center in Fe3O4/CeO2 hetero-nanoparticles via orbital coupling for high-efficiency oxygen reduction electrocatalysis. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907016.
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