开发可大规模制备且价格低廉的电催化剂提升氧还原（ORR）活性对于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和金属空气电池的大规模商业化应用具有重要意义。受自然界细胞色素氧化酶（CcOs）中Fe卟啉活性位点启发，具有Fe-N_x位点催化剂可有效地促进ORR过程。有研究表明，在催化过程中FeN₄结构中的单原子Fe位点被中间体OH*优先覆盖，导致形成轴向Fe(OH)N₄结构。这种配位相互作用会产生弯曲结构，表现出自我调节机制。因此，通过改变催化界面的曲率是优化催化活性和选择性的一种有效方法。

近日，陕西师范大学的郑浩铨教授、林海平教授和斯德哥尔摩大学黄哲昊研究员等合作，探究了锚定在S、N共掺杂碳基纳米弹簧高弯曲表面上的Fe催化物种（FeNS/Fe₃C@CNS）对电催化ORR作用机制，并组装了可穿戴的柔性锌-空气电池。

首先以手性表面活性剂作为软模板合成了螺旋聚吡咯纳米弹簧（T-PPy），随后将Fe(acac)₃和噻吩锚定到T-PPy的曲面上，制备了Fe和噻吩共掺杂的T-PPy（表示为Fe-S@T-PPy）。通过Fe-S@T-PPy在惰性气氛下高温热解，制备了FeNS/Fe₃C@CNS。表征证明碳基纳米弹簧弯曲表面上的Fe催化物种为Fe单原子位点及Fe₃C纳米颗粒。

在碱性及酸性环境下，FeNS/Fe₃C@CNS均展现出优异的电催化ORR催化活性及稳定性。实验也证明高度弯曲表面及非金属S的掺入均对其电催化活性有较大地提升。基于FeNS/Fe₃C@CNS优异的机械弹性和半电池反应活性，所组装的固态柔性锌空气电池也表现出优异的充放电效率及稳定性。

最后，理论计算证实高度弯曲的表面及S的轴向配位作用都可以通过减弱Fe位点与中间体的键合相互作用来增强FeN₄位点的ORR活性。这项工作为设计制备具有螺旋结构的碳基纳米材料及其在高性能柔性能量转换装置中的应用提供了一种新颖的策略，为其在能源相关领域中的应用开辟了途径。