国际社会正在积极推广清洁和可持续能源的发展，以应对对传统化石燃料的严重依赖所带来的能源、环境和经济危机[1]。在这一背景下，氧气还原反应（ORR）是燃料电池和金属空气电池中的关键核心反应，但由于阴极处ORR的缓慢性，燃料电池始终受到限制[2],[3],[4],[5],[6],[7]。开发高效且低成本的氧气还原反应（ORRs）电催化剂对于先进能源技术（包括燃料电池和金属空气电池）的应用至关重要[8],[9],[10],[11]。长期以来，贵金属铂（Pt）及其合金一直被认为是ORR的最先进催化剂[12],[13],[14],[15],[16]。然而，它们存在资源有限、成本高昂、易受燃料影响（例如甲醇交叉和CO失活）以及耐久性差等缺点，这大大限制了它们的大规模商业化应用[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23]。
非贵金属催化剂，特别是过渡金属-氮-碳催化剂（M-N-C），由于其低成本和更好的内在活性，被认为是Pt基催化剂最有前途的替代品[24],[25],[26]。通过将过渡金属（例如Fe、Co、Ni）掺入氮掺杂的碳基质中，这些材料在碱性介质中产生了类似Pt的ORR活性。碳载体提供了高表面积和导电性以促进电荷传输，而氮掺杂剂增强了供体能力并作为金属离子的配位锚点[27]。值得注意的是，同时包含Fe和Co的系统在理论和实验上都显示出卓越的协同效应。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe和Co之间的耦合可以优化关键中间体（如*OOH）的吸附自由能，从而降低ORR过电位[28],[29]。实验表明，催化剂中Fe和Co的共存促进了高度选择性的四电子转移路径，与单一金属催化剂相比，显著减少了H2O2副产物的形成。
然而，传统的热解方法在精确工程化活性位点方面存在固有的局限性：（1）金属前驱体在长时间热处理过程中容易聚集成纳米颗粒，极大地降低了活性位点的密度[30],[31]；（2）缓慢的加热/冷却速率（例如，在管式炉中为5–10°C/min）允许热力学平衡，抑制了亚稳态结构的形成；（3）不均匀的金属分布影响了空间控制和电子协同作用。这些限制严重阻碍了催化剂的性能和实际应用。
关键的是，前驱体的选择决定了双金属位点构建的可行性。我们特别使用铁酞菁（FePc）和氯化钴（CoCl?）来协同解决这些挑战：FePc提供了Fe离子和预组织的氮配位支架，而CoCl?通过离子迁移确保了钴的均匀分散。这种前驱体组合策略性地利用了FePc的大环结构来保留氮，并利用氯配体的挥发性抑制效应来减轻金属聚集[32],[33]，这对于在随后的快速热处理过程中实现金属物种的高分散性至关重要。
新兴的超快焦耳热处理技术进一步利用了前驱体的优势，通过动态阻止亚稳态。通过实现毫秒级温度升高（>1500°C/s）然后快速冷却，该技术抑制了金属的移动性，同时保持了配位结构。在此过程中，我们将FePc/CoCl2前驱体均匀混合，并施加精确调控的0.5秒焦耳热冲击来合成氮掺杂的碳支撑Fe/Co催化剂（NC-FeCo-T）。这种在亚稳态热窗口内的快速处理动力学上阻止了金属物种的移动，实现了它们在碳基质中的高分散性和共同锚定。同时，它丰富了结构缺陷，并且关键的是，保留了高含量的吡啶氮（2.86原子百分比），这对金属的配位至关重要。
值得注意的是，虽然在500–1500°C范围内处理的催化剂性能优于Pt/C，但NC-FeCo-500在ORR活性上达到了峰值，这归因于其具有最大无序度和氮保留能力的碳框架。更重要的是，较高温度会蒸发氮物种并导致金属聚集，证实了500°C是最优的动力学窗口。这项工作展示了如何通过有针对性的前驱体选择结合超快合成技术，精确控制碳基质中多种金属物种的分散性和配位环境，从而深入理解了过渡金属和氮在能源应用中的协同作用。
