DOI: 10.1002/aenm.201902115
由于靜電紡絲制備的納米纖維具有比表面積大、電荷傳輸路徑短、化學穩定性強等優點，該技術在設計和制備燃料電池和金屬-空氣電池中用于氧氣電催化的一維納米纖維方面受到了極大的關注。本文簡要介紹了燃料電池、金屬-空氣電池以及靜電紡絲的工作原理。此后，闡述了靜電紡絲制備無貴金屬電催化劑的最新進展，主要包括雜原子摻雜電紡碳納米纖維（ECNFs），過渡金屬納米粒子及其化合物（合金，氧化物，碳化物，氮化物，硫化物，磷化物）功能化的ECNFs，以及具有獨特結構的過渡金屬-氮-ECNFs（包括單原子催化劑）。重點介紹了具有自立特性的靜電紡絲電極。接下來，還討論了基于以氧化物、氮化物和碳化物為電催化劑或其雜化材料的其它電紡納米纖維。最后，介紹了靜電紡絲納米纖維基氧電催化劑的發展前景和未來可能的研究方向。在理解如何設計和制備先進能量轉換和存儲設備的前提下，本綜述具有一定的啟示性。
圖1.a）金屬-空氣電池的結構示意圖和基本原理。b）靜電紡絲實驗的實驗室設置示意圖。
圖2.靜電紡絲無機納米纖維復合材料在電化學能量轉換中的應用領域示意圖。
圖3.a）具有不同結構的電紡納米纖維的示意圖。b）由微小的無機納米顆粒組成的介孔納米管的示意圖，介孔納米管由無機納米顆粒、碳納米管和豌豆狀納米管組成。c）FeNO-CNT-CNFFs的應力-應變曲線。d）通過自由表面靜電紡絲批量生產Fe-NFF，穩定的M-NFFs和碳化后生成的MNO-CNT-CNFFs。
圖4.a）NCNFs和b）CNFs的TEM圖像。插圖顯示相應的SEM圖像。c）NCNFs的HRTEM圖像。插圖顯示了相應的TEM圖像。d）NCNF的制備過程示意圖。e）不同NCNF催化劑的LSV曲線。f）比較使用NCNF催化劑和Pt/C的一次鋅-空氣電池的極化和功率密度曲線。g）帶有NCNF的全固態可充電鋅-空氣電池的恒電流充放電循環曲線。
圖5.a）HP-NCNFs的制備過程示意圖。b）HP-NCNFs的SEM圖像。c）HPCNFs的制備過程示意圖。d）HPCNFs的HRTEM圖像。插圖顯示了自支撐柔性HPCNFs薄膜的相應照片。
圖6.a）自支撐Co@NS/CNT-MCF墊和相應微結構的制備過程示意圖。b）Co@NS/CNT-MCF的SEM圖像。c）Li-O2電池的循環穩定性。d）CNF@CoNC的制備過程示意圖。e）NiCo@N-C-2樣品的SEM和f）元素映射圖。
圖7.a）Mo2C/NPCNFs的SEM圖像。b）Mo2C/NPCNFs的HRTEM圖像。c）不同催化劑的ORR極化曲線。d）ORR極化曲線。
圖8.a）在不同氧化時間下Co NPs@HPNCS隨時間變化的TEM圖像。b）TEM圖像。c）所制備樣品的ORR/OER雙功能活性。d）使用Co3O4-xHoNPs@HPNCS-60和Pt/C+RuO2//CNF作為正極，鋅-空氣電池的放電極化曲線和相應的功率圖。e）MnO-NCNFs的HRTEM圖像。f）MnO-NCNFs和Pt/C的穩定性測試。
圖9.a）CCO@C的SEM圖像。插圖顯示放大的SEM圖像。b）CCO@C的元素映射圖像。c）使用CCO@C的可充電鋅-空氣電池的方案。d）XRD圖譜。插圖顯示了CoFe2O4的晶體結構。e）CoFe2O4@N-CNFs的TEM和f）HRTEM圖像。插圖顯示了粒徑分布和SAED圖譜。g）CoFe2O4@N-CNFs和市售RuO2催化劑在不同電勢下獲得的電流密度比較。h）CoMn2O4-600的SEM圖像。插圖顯示了相應的TEM圖像。i）CoMnO-600在1000次循環之前和之后的極化曲線。插圖顯示了穩定性測試后CoMnO-600的TEM圖像。
圖10.a）Co9S8-NSHPCNF的TEM圖像。插圖顯示相應的SEM圖像。b）Co9S8-NSHPCNF和Pt/C+IrO2的充放電極化曲線。c）SEM圖像。插圖顯示放大的SEM圖像。d）Ni2P@NPCNFs的TEM圖像。插圖顯示了相應的尺寸分布。e）靜電紡絲系統的示意圖以及包封NiCoP的CNF的開發。f）NiCoP/CNF900的元素映射。g）不同樣品的ORR和h）OER極化曲線。
圖11.a）Co9S8@MoS2/CNFs雜化結構的HRTEM圖像。b）Co9S8@MoS2納米晶體的線掃描EDX光譜。c）不同樣品的OER極化曲線。插圖顯示相應的Tafel斜率。d）Fe-N/C NNs和Fe-N/C NMs的制備過程示意圖。e）Fe-N/C NNs的SEM和f）HRTEM圖像。
圖12.a）原始Co-N-C、Co@SACo-N-C和Pt/C催化劑進行ORR的LSV。b）具有不同Co-N-C納米纖維正極的H2-O2燃料電池的穩態極化曲線。c）Co SA@NCF/CNF的SEM和d）HAADF-STEM圖像。e）Co SA@NCF/CNF和參照的EXAFS光譜。f）可穿戴式鋅-空氣電池的示意圖。g）FeCl1N4/CNS的示意圖模型：Fe（紅色），Cl（綠色），S（黃色），N（藍色）和C（灰色）。h）EG、Fe/EG、NF/EG和FeNxNF/EG的極化曲線。i）OER過電位與O*和OH*吸附自由能之差的關系示意圖。
圖13.a）Co3O4 NF/GNF復合材料的TEM圖像。b）初始充電/放電曲線和c）循環性能。d）CMO/S合成策略的示意圖。e）CMO/S-300的TEM圖像。插圖顯示了相應的晶體結構。f）分別為CMO和CMO/S-300的Mn K邊緣EXAFS光譜。g）在1 mA cm-2的電流密度下，在0°、30°、60°、90°、120°和150°彎曲角度下的放電曲線。
圖14.a）具有復雜1D納米結構（包括套管式、納米管和固體1D納米結構）的三元TMO形成過程的示意圖，以及相應的TEM圖像。b）TEM圖像。c）PBC/PBSCF雙鈣鈦礦晶體結構示意圖。d）PBSCF-III的TEM圖像。e）OER活性曲線。f）整個OER系統的吉布斯自由能變化。g）SNCF-NR的SEM圖像。h）用于OER/ORR催化的PBSCF-NF的示意圖。
圖15.a）Pt/TiN NTs的制備方案。b）Pt/TiN NT的TEM圖像。插圖顯示了相應的HRTEM圖像。c）Pt/TiN NTs和Pt/C的Pt 4f XPS光譜。d）ADT前后Pt/TiN NTs和Pt/C的LSV曲線；e）電催化劑的相應活性變化。
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