DOI: 10.1021/acsanm.0c01945
金屬納米顆粒修飾碳基納米纖維作為分層結構電極，為低溫燃料電池、電解槽、液流和空氣電池以及電化學傳感器的使用提供了更多的機會。在本文中，研究者提出了一種簡便且可擴展的方法，用于在石墨化碳納米纖維上制備由Pt納米顆粒組成的納米結構電極。靜電紡絲直接解決了大規模生產Pt基燃料電池電催化劑的相關問題。通過含聚丙烯腈（PAN）和鉑鹽的前驅體靜電紡絲和退火工藝，獲得了約180nm厚的石墨化納米纖維，其表面修飾有約5nm的Pt納米顆粒。通過原位退火掃描透射電子顯微鏡，定性解析和定量分析了Pt納米顆粒形成和運動的獨特動力學。有趣的是，由于電催化是一種表面現象，通過非常有效的熱誘導從納米纖維內部到表面的偏析，提高了Pt的整體利用率。利用空間分辨拉曼光譜研究了所制備的納米材料，發現摻雜Pt前體后納米纖維的結構有序性更高。在復雜的碳基納米結構體系中觀察到的偏析現象和有序機制的合理化對于有效利用所有含金屬的催化劑（如電化學氧還原反應）至關重要。
圖1.（a-c）Pt負載PAN納米纖維的SEM顯微照片：（a）靜電紡絲；（b）在空氣中于250℃穩定后；以及（c）隨后在真空中加熱至1100℃。比例尺：3μm。插圖：相應的樣品照片。比例尺：1cm。（d-f）靜電紡絲（d），穩定化（e）和碳化（f）納米纖維的高倍SEM顯微照片。比例尺：400nm。插圖：放大一些纖維的比例，以觀察到表面特征。比例尺：100nm。
圖2.（a）含（綠線）和不含（紅線）Pt-NPs的熱處理纖維的拉曼光譜比較。光譜會垂直移動，以提高清晰度。（b）兩種材料的G模式光譜寬度和D/G強度比的統計分析。（c，d）含Pt-NPs的系統的D/G強度比和G FWHM圖。（e，f）不含Pt-NPs的系統的D/G強度比和G FWHM圖。
圖3.在1100℃下退火的單根電紡納米纖維（含Pt納米粒子）不同放大倍數的亮場（a-c）和環形暗場（d-f）顯微照片。（c）與石墨Cg（002）平面相對應的平面間距離（紅色）。（f）與Pt（111）平面相對應的平面間距離（黃色）。
圖4.在1100℃下退火的納米纖維（含Pt納米粒子）的循環伏安圖（200mV/s）。無需添加甲醇（a）和在0.1M H2SO4中添加1M甲醇（b）進行測量。（b）中的綠色箭頭突出顯示了與Pt-NPs氧化甲醇相關的峰。
圖5.原位STEM退火實驗的快照。在摻雜Pt前體的電紡PAN納米纖維退火的三個不同階段中，收集的亮場（a-c）和環形暗場（d-f）顯微照片：（a，d）穩定化，（b，e）在750℃下加熱和（c，f）在1100℃下加熱。比例尺：200nm。（g）通過STEM分析揭示了相應的Pt-NP合成和表面偏析動力學的示意圖。
圖6.（a）750-1100℃退火期間纖維直徑的熱演變，數據來自原位STEM分析。虛線為方便觀察。（b）比較不同溫度下納米粒子的分離和形成動力學。
