摘要：通过提升金属负载量与活性位点利用率设计高密度可及位点的单原子催化剂（SACs）是提升催化活性的有效策略，但仍面临挑战。本文报道了一种铁负载量达11.8 wt.%的高位点密度单原子铁催化剂（D-Fe-N/C）。基于原位扫描电化学显微技术表征，其可及活性位点密度（

通过提升金属负载量与活性位点利用率设计高密度可及位点的单原子催化剂（SACs）是提升催化活性的有效策略，但仍面临挑战。本文报道了一种铁负载量达11.8 wt.%的高位点密度单原子铁催化剂（D-Fe-N/C）。基于原位扫描电化学显微技术表征，其可及活性位点密度（SD）与位点利用率分别高达1.01×10^21 位点·g^−1和79.8%。得益于此，D-Fe-N/C在氧还原反应（ORR）中展现出优异性能，其半波电位为0.918 V，转换频率达0.41 电子·位点^−1·秒^−1。该催化剂的卓越ORR活性在液态锌-空气电池（ZABs）中进一步验证，其峰值功率密度高达306.1 mW·cm^−2，并具有超过1200小时的超长循环稳定性。此外，通过预设空气流动层制备的固态层状ZABs表现出高达818.8 mA·h·g^−1的比容量、520小时的循环稳定性及宽温适应性（−40至60°C）。本研究不仅为通过提升金属负载与位点利用率开发高效SACs提供了新思路，也为先进ZABs的器件结构设计提出了创新策略。

2.2 位点密度与位点利用率的测定
为量化D-Fe-N/C与Fe-N/C-700的位点密度（SD），本研究采用原位扫描电化学显微技术（SECM）进行表征（支持信息图S18）。与传统电化学测试相比，SECM技术具有超高灵敏度，不仅能原位监测催化剂的局部反应活性，还可直接定量活性位点数量[51,52]。通过以OH⁻/O₂为氧化还原介质，采用针尖生成（TG）与基底收集（SC）模式，对D-Fe-N/C与Fe-N/C-700的导电性及ORR局部活性进行成像。

SECM图像（图2a-d）显示，D-Fe-N/C的导电区域轮廓与Fe-N-C-700显著不同，且其SECM图像随基底电位（Es）变化呈现动态响应。通过各Es下的最大基底电流分布图，可直观反映局部ORR响应活性。当Es=0.4 V时，D-Fe-N/C的反馈电流为76.2 nA，远高于Fe-N/C-700的34.3 nA（支持信息图S23），表明D-Fe-N/C具有更快的ORR动力学。这归因于其更高的比表面积（SSA）与位点密度（SD），从而提升位点利用率并提供丰富的可及活性位点以加速ORR反应[54,55]。

通过表面询问（SI-）SECM技术进一步定量D-Fe-N/C的SD。图S24展示了基于二茂铁甲醇（FcMeOH）电化学滴定法对Fe-N₄活性位点的定量机理：首先在Es下预处理铂超微电极（Pt UME）与基底（凹形金电极负载催化剂），获得洁净Pt针尖与完全氧化的Fe(III)-N₄；随后在基底施加系列Es脉冲（探针保持开路电位OCP），Fe(III)-N₄逐步还原为Fe(II)-N₄；每次脉冲后，基底切换至OCP，探针保持0.4 V，此时FcMeOH在探针处氧化为FcMeOH⁺并扩散至基底，被Fe(II)-N₄还原。FcMeOH⁺的消耗通过电流反馈效应按比例增加探针电流（支持信息图S25），因此探针收集电量（Qtip）可用于定量电催化反应中实际参与的活性位点数（图2e）。

由于直接测定电极负载催化剂存在困难，本研究通过双电层电容（Cdl）间接量化参与电催化过程的位点密度（支持信息图S26）。结果表明，D-Fe-N/C的SD高达1.01×10²¹ 位点·g⁻¹，约为Fe-N/C-700（2.29×10²⁰ 位点·g⁻¹）的4倍。进一步通过活性位点利用率（实测SD与理论SD的比值）评估其效率，D-Fe-N/C的利用率达79.8%，显著优于Fe-N/C-700（支持信息图S27）。

技术要点解析

该方法的创新性在于将高灵敏度SECM技术与电化学滴定相结合，为单原子催化剂的活性位点定量提供了高精度、原位动态的分析手段。

Advanced Materials Volume 37, Issue 11 Mar 2025

High-Density Accessible Iron Single-Atom Catalyst forDurable and Temperature-Adaptive Laminated Zinc-Air Batteries Liansheng Lan, Yonggan Wu, Yangfan Pei, Yuanhao Wei, Ting Hu,Dirk Lützenkirchen-Hecht, Kai Yuan,* and Yiwang Chen

L. Lan, Y. Wu, Y. Pei, Y. Wei, K. Yuan, Y. ChenCollege of Chemistry and Chemical Engineering/Film Energy Chemistryfor Jiangxi Provincial Key Laboratory (FEC)/Institute of Polymers andEnergy Chemistry (IPEC)

Nanchang University999 Xuefu Avenue, Nanchang 330031, ChinaE-mail: kai.yuan@ncu.edu.cn; ywchen@ncu.edu.cn

L. Lan, Y. Pei, T. Hu School of Physics and Materials ScienceNanchang University999 Xuefu Avenue, Nanchang 330031, China

D. Lützenkirchen-HechtFaculty of Mathematics and Natural Sciences-Physics DepartmentBergische Universität WuppertalGauss-Str. 20, D-42119 Wuppertal, Germany

Y. Chen College of Chemistry and Materials/Key Laboratory of Fluorine and Silicon for Energy Materials and Chemistry of Ministry of Education Jiangxi Normal University 99 Ziyang Avenue, Nanchang 330022, China

来源：迪新材料科普南乔