开发高效可持续的非贵金属氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）电催化剂是推动下一代燃料电池和金属-空气电池发展的核心。生物质衍生的Fe-N-C催化剂已成为极具潜力的候选体系，然而活化化学对活性位点形成及电催化性能的调控机制仍缺乏深入研究。研究人员揭示了强碱KOH与路易斯酸ZnCl2对葡萄酒酿造过程中广泛可得的农业食品残渣——酿酒葡萄渣的化学活化调控规律，通过一步合成法在无外加氮源的条件下制备Fe-N-C电催化剂。结果表明，KOH活化可促进丰富的微孔-介孔孔隙发育，有利于原位构建配位良好的Fe-Nx活性中心，获得较大的电化学活性表面积，其ORR起始电位可达0.87 V（相对于可逆氢电极），性能与领先的生物质衍生Fe-N-C催化剂相当。相比之下，ZnCl2活化降低了活性位点密度，导致ORR活性下降。该研究阐明了活化路径对孔隙演化、Fe-Nx位点形成及ORR性能的调控机制，更重要的是实现了酿酒残渣向功能电催化剂的高效转化，为电化学能量转换技术中的材料设计提供了可规模化、可持续的合成路线。
本研究发表于《Small Science》，针对质子交换膜燃料电池与金属-空气电池中氧还原反应（ORR）动力学缓慢、铂基催化剂成本高昂且资源稀缺的瓶颈问题，聚焦生物质衍生Fe-N-C催化剂的活化机制不明确这一科学缺口，以葡萄酒产业大量产生的酿酒葡萄渣（Wine Pomace, WP）为可持续碳氮前驱体，系统对比了强碱KOH与路易斯酸ZnCl2两种活化剂的调控作用，在不添加任何外部氮源的单一热解步骤中，实现了高性能ORR电催化剂的可控制备，为农业固废高值化与低成本能源材料开发提供了新范式。
研究人员采用的关键技术方法包括：以智利Industrias Vínicas S.A.提供的酿酒葡萄渣为唯一原料，经水洗除杂后分别采用KOH与ZnCl2进行湿法浸渍，引入不同质量分数（5 wt%、30 wt%）的Fe(BF4)2·6H2O为金属源，在氮气氛围下于850°C一步热解，后经0.5 M H2SO4酸洗去除残留物种；采用热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）解析热分解行为，通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）法表征孔隙结构，结合场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、拉曼光谱与X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）分析形貌、石墨化程度与表面化学组成；电化学测试在三电极体系中开展，通过循环伏安法测定电化学活性面积（Electrochemical Active Surface Area, ECSA），线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）评估ORR活性，并结合氰化物毒化实验验证Fe-Nx位点的催化贡献。
研究结果如下：
2.1 热分解行为：原始WP在850°C热失重约90%，热分解分为吸附水脱除、纤维素/半纤维素降解、木质素分解与炭化三个阶段。KOH浸渍使WP在热解前即发生显著降解，纤维素与半纤维素特征峰消失；引入Fe盐后因碱性环境下生成[Fe(OH)4]2-络合物，抑制了过度降解，残渣保留率升高。ZnCl2浸渍样品的热分解曲线与原始WP相近，因其作为路易斯酸无法水解糖苷键，且未形成铁络合物，仅降低了木质素分解的起始温度。
2.2 结构表征：KOH活化的Fe-N-C样品经酸洗后比表面积从约400 m2g-1提升至约2000 m2g-1，总孔体积增加4-5倍，归因于K物种与Fe纳米颗粒的移除释放了被阻塞的孔隙，FE-SEM显示表面粗糙度显著增加，平均孔径保持在2-3 nm的介孔范围。ZnCl2活化样品酸洗后比表面积与孔体积均下降，因ZnO与未锚定Fe颗粒的迁移移除导致碳骨架部分坍塌。拉曼光谱显示所有样品D带与G带强度比约为0.8，表明Fe促进了碳的部分有序化；XPS分析证实WP可实现自掺杂氮，KOH活化样品中Fe-Nx物种占比随Fe含量提升从约20%增至约30%，而ZnCl2活化样品中石墨氮与氧化氮占比更高。
2.3 电化学表征与电催化研究：KOH活化样品的电化学活性面积显著高于ZnCl2活化组，其中Fe30-N-C/K的ECSA达282.0 cm2。ORR性能测试显示，无金属样品的起始电位相近（约0.74 V），而Fe掺杂样品活性显著提升，Fe30-N-C/K的起始电位达0.87 V，半波电位与已报道的生物质衍生催化剂相当。双电层电容与起始电位呈正相关，但与BET比表面积无线性关系，证明介孔发育程度决定了电解质可及的活性位点数量。氰化物毒化实验使ORR活性下降约100 mV，证实了Fe-Nx位点的核心催化作用。KOH活化样品的电子转移数接近4，以四电子路径为主，Tafel斜率接近理论值-0.059 V dec-1，决速步为O2在Fe-Nx位点的吸附；ZnCl2活化样品则以2e-/4e-混合路径为主，Tafel斜率更大，反应动力学更慢。
讨论与结论部分指出，本研究首次系统比较了不同活化策略对酿酒葡萄渣衍生Fe-N-C催化剂的调控效应，证实活化剂化学性质决定了热解路径与最终材料的构效关系。KOH活化通过构建高比表面积介孔结构与丰富的Fe-Nx位点，实现了无外加氮源下的高性能ORR催化；ZnCl2活化虽可形成孔隙，但酸洗后的骨架不稳定性限制了活性发挥。该工作不仅为葡萄酒工业固废的资源化利用提供了新途径，也为理性设计低成本、高性能生物质基电催化剂建立了重要的理论基础。
