氮配位金属单原子催化剂（M-N-C SACs），尤其是具有M-N₄配位构型并负载于碳基底中的催化剂，已成为提升氧还原反应（ORR）动力学性能的研究前沿。然而，由于M-N₄的高度平面D_4h对称构型，其对氧中间体的吸附能力受限，导致ORR过程能垒过高。同时，碳基底的结构设计也面临重大挑战，具体而言，由于金属单原子具有较高的表面能和迁移率，以及金属离子与碳基材之间较弱的结合力，容易导致金属原子迁移和聚集。此外，跨多相界面的传质问题也不容忽视。一方面，为了尽量减少催化剂/电极界面上的电子转移阻力，需要在碳基质内建立高速的电子传导通道；另一方面，导电碳衬底通常具有密集堆叠结构，对反应物的传输造成严重阻碍，甚至堵塞活性位点。因此，设计具有足够锚定位点、分层多孔和相互连通导电网络的碳质载体至关重要。

  针对以上问题，陕西科技大学“生物质化学与材料”院士创新团队沈梦霞副教授课题组在SMALL期刊发表题为“Biological Neural Network-Inspired Micro/Nano-Fibrous Carbon Aerogel for Coupling Fe Atomic Clusters With Fe-N₄ Single Atoms to Enhance Oxygen Reduction Reaction”的研究论文，团队成员孙姣姣为论文第一作者，陕西科技大学沈梦霞副教授、加拿大新布伦瑞克大学倪永浩教授和香港科技大学王蓬勃为论文共同通讯作者。

图1 （a）人类生物神经网络（BNN）系统和基本功能单元;（b）BNN启发的微/纳米纤维碳气凝胶，用于偶联 Fe 原子簇和Fe-N₄单原子以提高ORR。

  生物体内的神经信号网络系统，由众多神经元通过突触互连构成错综复杂的神经通路，能够在大脑内无数神经元之间实现高效的信息交换和处理。神经元主要包含胞体（中心成分，0D）、树突和轴突（用于接收和发送信号的纤维成分，1D），从而确保在低维水平上进行快速的信号处理。此外，随着无数神经元在层状（2D）和空间（3D）维度内形成复杂的网络，生物体得以实现智能和高速运转。 

图6.(a) CMNCA-Fe_SA+AC作为空气阴极的水系锌空气电池（AZAB）示意图。基于Pt/C-RuO₂和CMNCA-Fe_SA+AC为阴极的锌-空气电池的 (b) 开路电压（OCV）曲线， (c) 放电极化和功率密度曲线，(d) 不同电流密度下的放电曲线，(e) 10 mA cm^-2下的比容量测试曲线，以及（f）放电和充电循环测试。基于CMNCA-Fe_SA+AC空气阴极的 (g) 固态锌-空气电池（SZAB）和 (h) 纽扣型锌-空气电池（ZACC）示意图。基于Pt/C-RuO₂和CMNCA-Fe_SA+AC为阴极的锌-空气电池的 (i，j) 放电极化和功率密度曲线及 (k，l) 放电和充电循环测试。

  总之，受生物神经网络启发，本研究设计出原子级分散Fe-N₄单原子（Fe SAs）与Fe原子簇（Fe ACs）协同负载的壳聚糖微/纳米纤维碳气凝胶（CMNCA-Fe_SA+AC）。该体系包含类神经元特性的Fe-N₄/Fe AC耦合活性位点，以及壳聚糖微/纳米纤维交织形成的二维层状和三维蜂窝状形态。DFT计算揭示了Fe-N₄单原子与Fe ACs协同调节ORR中间体的吸附和解吸方面的作用。因此，CMNCA-Fe_SA+AC不仅表现出卓越的ORR活性和稳定性，而且可以组装成水系和固态的ZAB以发挥高功率密度和稳定的充放电循环。这项研究为通过仿生工程设计先进能源存储和转换技术的催化剂提供了新的视角。

  文章链接

  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

作者简介：

沈梦霞，副教授，硕士生导师，陕西省高层次人才引进计划入选者、陕西科技大学青年拔尖人才、“生物质化学与材料”院士创新团队骨干成员。主要研究方向为生物质基功能材料及其在新能源器件、电磁屏蔽/电磁波吸收等领域的应用。以第一或通讯作者在Energy Storage Mater., Small, Chem. Eng. J., Nano Energy, J. Colloid Interface Sci.等期刊发表论文30余篇，其中5篇入选ESI高被引论文，申请国家发明专利10余项。主持国家自然科学基金项目、教育部留学基金资助国际高层次人才培养项目、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基金及企业技术服务项目等各类科技项目10余项。 

团队近期研究工作汇总：

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.