随着全球能源需求的持续增长，清洁能源的储存和转换技术越来越受到重视。电催化氧还原反应（ORR）作为金属-空气电池和燃料细胞等能量储存与转换系统中的关键过程，其高效催化剂的研究已成为热点。然而，传统的贵金属催化剂如铂（Pt）因其高昂成本和资源稀缺性限制了其大规模应用。因此，开发高效的非贵金属ORR催化剂成为研究的重要方向。在此背景下，过渡金属和氮共掺杂的碳（M-N-C）单原子催化剂因其最大原子利用率和理想的ORR活性而备受关注。特别是铁氮碳（Fe-N-C）催化剂，由于独特的电子结构和卓越的催化活性，已经成为研究焦点。然而，Fe-N-C催化剂在活性和稳定性方面仍有待提升。
一、论文概述
2024年11月12日，苏州科技大学与北京化工大学团队在国际期刊《Chemical Communications》发表了题为“Axial oxygen-bridged FeN4O/NC produced by ultrafast joule heating for efficient oxygen reduction reaction”的研究论文。团队通过超快焦耳加热技术，制备了具有轴向氧配位特性的FeN4O/NC催化剂，该催化剂在氧还原反应中的性能超过了传统商业Pt/C催化剂，并展现出优异的稳定性。研究同时结合密度泛函理论（DFT）计算，揭示了轴向氧配位在优化催化反应过程中的重要作用，为下一代催化剂的研发奠定了基础。
二、研究亮点
创新制备技术
使用超快焦耳加热技术，通过高温快速升温与精确控制，制备出具有轴向氧配位特性的FeN4O/NC催化剂。性能全面提升
实验结果显示，FeN4O/NC催化剂的半波电位（E1/2）达到0.903 V，性能超越商业Pt/C，并在长期循环中保持了较低的衰减率。理论机制解析
通过DFT计算，研究揭示了轴向氧配位优化Fe中心电子结构的机理，降低了反应能垒并提高了催化反应效率。广阔应用前景
FeN4O/NC在锌空气电池中的应用展现出良好的电化学性能，为储能与能源转换领域提供了新选择。
三、图文导读
图1 描绘了FeN4O/NC的制备流程及其结构特性，突出超快焦耳加热在微环境调控中的优势。
图2 展示了通过XPS、XANES等技术表征的催化剂电子结构与化学环境，为性能提升提供了关键依据。
图3 详细对比了FeN4O/NC与商业Pt/C在ORR中的性能，涵盖半波电位、耐久性及其在锌空气电池中的应用效果。
图4 通过理论计算，直观揭示了轴向氧配位对反应能垒的降低作用，以及其对活性中心电子分布的优化效果。
该研究利用超快焦耳加热技术，实现了Fe-N-C催化剂微观结构的精准调控，成功制备出轴向氧配位FeN4O/NC催化剂，并通过理论与实验揭示了其高效催化性能的来源。这一研究成果为氧还原反应的催化剂设计提供了新方法，也为储能与能源转换技术开辟了新路径。
苏州开瑞仪器有限公司是国内高温焦耳加热领域的领先服务商，超快高温炉在材料合成与催化剂开发中具备独特优势。该装置支持毫秒级升温和精准温控，可广泛应用于高效催化剂的制备以及新型材料的研发，极大提升了实验效率与产出质量。此外，苏州开瑞仪器的高通量超快高温炉能够实现多样品并行处理，适合科研机构及产业化应用的需求。
焦耳加热技术
苏州开瑞仪器供应的超快高温炉能够通过电流通过导体时产生的焦耳热快速加热物质，且加热过程可控、稳定。通过精准的温度控制和快速加热性能，使得催化剂合成、金属热处理及材料烧结等过程更加高效、安全。这一技术广泛应用于高温实验、材料科学研究和工业生产，尤其适用于高熵合金、催化剂制备等对温控要求苛刻的领域。
高温焦耳冲击加热装置
苏州开瑞仪器的超快高温炉装置是目前业界领先的技术之一，能够实现瞬时温度升高，极大缩短实验时间。这一设备可应用于非贵金属催化剂、高熵材料以及超高温处理等多种科研和工业应用，能够精确控制加热速率和峰值温度。通过优化的热管理系统，这种加热装置在保证加热效果的同时，还能最大程度减少能量损失，提升整体效能。
产品特色
- 高效加热：苏州开瑞仪器的焦耳加热装置能够实现极短时间内的高效加热，减少实验过程中的等待时间，显著提高实验效率。
- 精准控温：设备内置精密的温度传感器和反馈控制系统，可以实现对加热过程的精确控制，满足高精度实验要求。
- 稳定性与安全性：得益于先进的硬件设计和智能控制系统，中科精研的焦耳加热设备在长期使用中仍能保持稳定性能，并具备多重安全保护措施，有效避免过热、过载等风险。
- 智能化与自动化：产品配备智能操作界面，可以进行自动化操作、实时监测温度变化，并生成实验数据报告，方便科研人员进行数据分析和后续研究。
应用领域
- 催化剂合成：苏州开瑞仪器的超快高温炉装置广泛应用于非贵金属催化剂的合成过程，尤其在高熵氧化物催化剂的研究中，通过精确加热和快速温度响应，优化了催化剂的合成条件，提高了催化性能。
- 材料科学与金属处理：该技术同样适用于合金材料的烧结、热处理及表面处理过程，能够有效提高材料的性能，优化材料结构。
- 新能源研究：在燃料电池、太阳能电池等新能源领域，焦耳加热技术可以用于高效催化剂的制备与优化，推动相关领域的技术进步。
- 电子设备：高温焦耳加热设备还在微电子、半导体制造等精密工艺中得到广泛应用，通过控制高温过程确保设备组件的稳定性和精度。
苏州开瑞仪器将继续深化焦耳热技术的研发与应用，推动新能源、材料科学、电子技术等领域的创新发展。未来，随着技术不断升级，公司的高温焦耳加热装置将不仅限于科研实验，还将在更多工业应用中发挥重要作用，为全球用户提供更加高效、智能、绿色的技术解决方案。
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