CJC | Concise Report-袁凯、陈义旺等研究团队：单原子Fe联手纳米CeO2：新型杂化催化剂实现高效稳定氧还原

Concise Report

Hybrid Fe-N-C Catalyst Integrating Single-Atom Fe and Nanoscale CeO2 towards Efficient Oxygen Reduction Reaction for Zinc-Air Batteries

Yangfan Pei, Jianfeng Zuo, Xiannong Tang, Longbin Li, Ting Hu, Dirk Lützenkirchen-Hecht, Kai Yuan,* and Yiwang Chen*

Developing high-performance, durable, and cost-effective oxygen reduction reaction (ORR) catalysts is essential for advancing next-generation energy devices like zinc-air batteries (ZABs). Herein, we engineer a hybrid Fe-N-C catalyst (FeSA-FeNP/CeO2@NC) integrating atomically dispersed Fe-Nx sites, Fe nanoparticles, and oxygen vacancy-rich CeO2 nanoparticles within a nitrogen-doped carbon matrix. Interfacial charge transfer and oxygen vacancy-mediated electron redistribution, synergistically enhanced by strong metal-support interactions (SMSI), optimize the electronic configuration of Fe-Nx sites and reduce their electron density. The resulting catalyst exhibits exceptional ORR activity and stability, featuring a half-wave potential of 0.925 V (vs. RHE) in alkaline media and minimal degradation (1% and 2.8% negative shifts after 10,000/20,000 cycles). In ZABs, it achieves a peak power density of 310.29 mW·cm‒2 while sustaining stable operation for over 600 h. This work demonstrates dual role of CeO2in enhancing activity and stability, establishing a design principle for high-performance electrocatalysts in energy conversion systems.

Fe-N-C catalysts | CeO2 nanoparticles | Oxygen reduction reaction | Durability | Zinc-air batteries | Catalytic activity | Electrocatalysis | Metal nanoparticles

单原子Fe联手纳米CeO2：新型杂化催化剂实现高效稳定氧还原

为应对日益严峻的全球能源危机与环境挑战，开发高效、廉价的下一代能源存储与转换技术已成为当务之急。其中，锌-空气电池因其高理论能量密度、安全性及环境友好性而备受瞩目。近年来，陈义旺、袁凯团队在该领域取得了系列重要进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202502019; Adv. Mater. 2025, 37, 2417711; Angew. Chem. Int. Ed., 2025, 64, e202501506; Adv. Mater., 2025, 37(12), 2500096; Nat. Commun. 2024, 15, 6077; Adv. Mater., 2024, 36, 2308326; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62(33), e202306667; Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62(22), e202301642; Adv. Mater., 2023, 35(5), 2208942.）。

近日，袁凯、陈义旺等研究团队通过将原子级分散的Fe-Nₓ位点、Fe纳米颗粒与富氧空位的CeO₂纳米颗粒集成于氮掺杂碳基质中，成功构建了一种新型杂化Fe-N-C催化剂（FeSA-FeNP/CeO2@NC）。该催化剂通过氧空位介导的电子转移与强金属-载体相互作用（SMSI），协同调控Fe-Nₓ位点的电子结构，降低其电子密度，从而显著提升ORR活性与稳定性。在碱性介质中，其半波电位高达0.925 V (vs. RHE)，优于商用Pt/C，并在10000次和20000次循环后仅出现1%和2.8%的衰减，表现出优异的耐久性。当应用于锌空气电池时，该催化剂实现了310.29 mW cm-2的峰值功率密度，并在20 mA cm-2下稳定运行超过600小时。柔性全固态锌空气电池也展现出良好的性能与循环稳定性。该研究不仅揭示了CeO2在电子调控与结构稳定中的双重作用，也为设计高性能非贵金属电催化剂提供了新思路。

图1 展示催化剂的合成路径、微观形貌与原子级局域结构。

图2 揭示CeO₂引入引发的电子结构重构与氧空位介导的电荷再分配。

图3 证实催化剂具有优异的氧还原反应活性、动力学与稳定性。

图4 通过原位电化学分析量化单原子位点密度。

图5 验证催化剂在液态与柔性锌-空气电池中均展现出高性能与应用潜力。

该研究成果发表于Chin. J. Chem. (2026, 44, 80-88, DOI: 10.1002/cjoc.70315)。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江西省自然科学基金等项目的资助。

认识本文的作者们

Left to Right: Yangfan Pei, Jianfeng Zuo, Xiannong Tang, Longbin Li, Ting Hu, Dirk Lützenkirchen-Hecht, Kai Yuan, and Yiwang Chen

陈义旺教授简介

陈义旺教授：南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家“万人计划”科技创新领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴，俄罗斯自然科学院外籍院士。2019年起历任江西师范大学副校长，副书记，2022年任赣南师范大学校长，南昌大学高分子及能源化学研究院院长，江西师范大学氟硅能源材料与化学教育部重点实验室主任，江西省化学化工学会理事长，中国化学会会士，教育部科技委委员，《Chinese J. Polym. Sci.》《Science China Materials》《eScience》《Fundamental Research》等编委。主持和完成国家自然科学基金重点项目/中德国际合作项目等、科技部973前期研究专项等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利49项；撰写中英文专著2部，教材2部。作为第一完成人获江西省自然科学一等奖、教育部自然科学二等奖、获日内瓦国际发明展金奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新奖、江西省教学成果一等奖1项和二等奖3项、中国侨界贡献奖、获全国宝钢优秀教师奖。

袁凯教授简介

袁凯教授：南昌大学教授，博士生导师，国家级青年人才，南昌大学和德国伍珀塔尔大学双博士学位，主要从事储能新材料技术与器件集成方面的研究。以第一或通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., CCS Chem.等国内外知名期刊发表学术论文80余篇，一篇论文入选2020年度中国百篇最具影响国际学术论文；主编教材一部，撰写英文书籍一章；担任eScience, SusMat, SmartMat, CarbonEnergy和Energy Mater.期刊青年编委。主持国家自然科学基金面上项目等5项、江西省杰出青年科学基金，获博士后创新人才支持计划、江西省“人才计划”、青年井冈学者奖励计划和科技创新杰出青年人才支持计划。入选江苏省双创人才、江海英才计划和东疆英才计划；获教育部自然科学二等奖、省级教学成果二等奖。