DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c06040

合理设计碳纳米纤维基电催化剂的孔结构可以有效加速氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的缓慢动力学。本研究报告了一种将超分子配位聚合物添加到选定聚丙烯腈（PAN）和醋酸纤维素（CA）纺丝体系中的静电纺丝方法。利用热解过程中各组分热分解温度的差异，以CA为牺牲模板制备了具有定向空心通道和分层孔结构的高效ORR/OER双功能电催化剂（Co-N@PCNFs-0.2）。这种独特的多通道碳纳米纤维形态和分层孔结构导致了丰富的活性位点，同时也提高了电子转移速率。值得注意的是，将Co-N@PCNFs-0.2作为锌-空气电池的空气电极可产生884 W h kgZn-1的比放电容量和151 mW cm-2的最大功率密度。

图1.（a）CoA@NFs-x和Co-N@PCNFs-x复合材料的制备过程示意图。（b）在铝箔上收集的CoA@NFs-0.2的代表性数码照片。（c）CoA@NFs-0.2的SEM图像。（d）CA、PAN、NFs、CoA和CoA@NFs-0.2的FTIR光谱。

图2.（a）Co-N@PCNFs-0.2的代表性照片、（b）SEM、（c）横截面SEM图像、（d）TEM图像和（e）元素映射图像。（f）CoA@NFs-0.2和Co-N@PCNFs-0.2的XRD衍射图。

图3.（a）Co-N@PCNFs-0.2的N2吸附/解吸等温线和（b）孔径分布。（c）PAN、CA、CoA和CoA@NFs-0.2在氮气氛中的热重分析（TGA）曲线。

图4.Co-N/C和Co-N@PCNFs-0.2中（a）C1s、（b）N1s和（c）Co2p的高分辨率XPS光谱。

图5.（a）PCNFs、PAN/CA/CoA-M、Co-N/C、20wt%Pt/C和Co-N@PCNFs-0.2在O2饱和0.1M KOH中于1600rpm下的ORR CV曲线和（b）LSV曲线。（c）Co-N@PCNFs-0.2与相应对照催化剂的Jd和E1/2对比。（d）Co-N@PCNFs-0.2和20wt%Pt/C的Tafel图。（e）Co-N@PCNFs-0.2在O2饱和0.1M KOH中于不同RDE转速下的CV曲线，插图显示了根据不同RDE转速下的伏安图得到的K-L图。（f）Co-N@PCNFs-0.2和商用Pt/C催化剂在1600rpm、0.6V恒定电位下的计时电流响应（i-t）曲线。

图6.（a）PCNFs、PAN/CA/CoA-M、Co-N/C、RuO2和Co-N@PCNFs-0.2在O2饱和0.1M KOH中于1600rpm下的OER LSV曲线。（b）Co-N@PCNFs-0.2在不同扫描速率下的CV曲线。（c）电流密度和扫描速率的函数图（1.1V vs RHE）。（d）Co-N@PCNFs-0.2和对照样品在O2饱和0.1M KOH中于1600rpm下的ORR/OER LSV曲线。

图7.（a）可充电锌空气电池方案。（b）由两个串联的锌空气电池供电的红色发光二极管（LED）灯泡的照片。（c，d）开路电压测量（分别用万用表和电化学工作站测量）。（e）可充电锌空气电池的充放电极化曲线和相应的放电功率密度曲线。（f）锌空气电池在10mA/cm2下的比放电容量。