纖維結構獨立式電極用于氧氣電催化

DOI: 10.1002/smll.201903760

用于氧還原和氧釋放反應的電催化劑是許多可再生能源設備的關鍵材料，如可充金屬-空氣電池、可再生燃料電池和水分解系統。與由催化劑粉末制成的常規電極相比，具有獨立式結構的氧電極是非常合乎需要的，由于其無粘合劑制造并且有效消除了催化劑的團聚。在迄今為止研究的所有獨立電極結構中，纖維材料具有許多獨特的優點，如可用纖維范圍廣、材料和材料加工成本低、比表面積大、多孔結構高、纖維功能化簡單等。綜述了近年來纖維結構在電催化氧電極中應用的最新進展，包括電紡納米纖維、細菌纖維素、纖維素纖維結構、碳布/紙、金屬納米線和金屬網。詳細討論了氧電極評估、獨立式電極制備的常用技術及其電催化性能，在此基礎上還提出了目前面臨的挑戰和未來的發展前景。

圖1.a）金屬的ORR火山圖。b）金屬氧化物的OER火山圖。

圖2.a）在RDE上進行ORR測試的盤狀碳膜。b）獨立式電催化劑的水分解試驗。

圖3.氧在空氣陰極發生反應時的極化曲線。

圖4.a）氫氣吸附/解吸，用于在氬氣飽和的0.1 M HClO4中以50 mV s-1測量多晶Pt的表面積。b）CO汽提可量化在Ar飽和的0.5 M H2SO4中20 mV s-1時Pt/C的表面積。c）用于測量Pt（pc）表面積的Cu欠電位沉積。

圖5.a）Fe3C@NCNTs-NCNFs的制備示意圖。b）Fe3C@NCNTs-NCNFs的SEM圖像。c）Fe3C@NCNTs-NCNFs和RuO2在1 M KOH中的OER極化曲線。d）與超薄鐵-磷酸鎳納米片（ESC@FNPO）集成的電紡碳納米纖維的制備示意圖。e）ESC@FNPO的SEM圖像。f）ESC@FNPO在1 M KOH中的OER極化曲線。g）制備CuCo2O4@C納米管的示意圖。h，i）CuCo2O4@C納米管的SEM圖像。j，k）在0.1 M KOH中的CuCo2O4@C納米管的ORR極化曲線和在1 M KOH中的OER極化曲線。

圖6.獨立式a）CoNC@MoS2/CNF和b）Co SA@NCF/CNF腹板的制備示意圖。c）Co SA@NCF/CNF的SEM和d）TEM圖像。e）Co SA@NCF/CNF在0.1 M KOH中的ORR極化曲線和f）在1 M KOH中的OER極化曲線。

圖7.a）使用電紡PI納米纖維制造獨立納米多孔碳納米纖維網（NCNF）的示意圖。b）NCNF的SEM圖像。c）NCNF在0.1 M KOH中的ORR和d）OER極化曲線。e）以NCNF為空氣陰極的一次鋅-空氣電池的充放電極化曲線。f）以NCNF為空氣陰極的全固態可充電鋅-空氣電池的照片。g）由四個全固態鋅-空氣微型電池串聯供電的藍色LED（3.0 V）的照片。h）以NCNF為空氣陰極的全固態可充電鋅-空氣電池在2 mA cm-2處的恒電流放電-充電循環曲線，每2h施加一次彎曲應變。

圖8.a）氮摻雜碳納米纖維氣凝膠的制備示意圖。b）包覆Co納米球的CNF（CNF@Co）的制備示意圖。c）1.0 M KOH中CNF、CNF@Co、RuO2和IrO2的OER LSV圖。d）Fe-P/CNFs制備示意圖。e）0.1 M KOH中Fe-P/CNF的ORR-LSV和RRDE曲線。

圖9.a）在纖維素纖維紙上制造石墨烯和石墨硝酸碳（g-C3N4）的示意圖。b）氮摻雜碳微管（NCMT）海綿的光學和c）SEM圖像。d）NCMT-1000的N 1s的XPS光譜。e）在0.1 M KOH中，NCMT-1000（3D）、NCMT-1000、Ir/C和Pt/C的氧電極性能。f）制備嵌入MoP量子點（MoP QD@HCF）的氮、磷摻雜的中空碳纖維的示意圖。

圖10.a）在碳纖維紙（CFP）上制備結合鈷的氮摻雜碳納米管（CoNCNT）陣列的示意圖。b）在碳紙（NPC-CP）上制備氮和磷摻雜的碳納米纖維的示意圖。c）CFP上CoNCNT的SEM圖像。d）NPC-CP的SEM圖像。e）碳布上的Ni-Co-Bi納米線（Ni-Co-Bi/CC）的SEM圖像。f）Ni-Co-Bi結構圖，藍色、綠色、紅色和銀色球的結構圖分別表示Co、B、O和Ni原子。g）浸透聚四氟乙烯的CoNCNT-CFP在6 M KOH中，Pt/C催化劑在經特氟隆處理過的CFP（Pt/C-TCFP）和PTFE處理過的Pt/CTCFP上的ORR極化曲線；h）NPC-CP、NC-CP、CP和IrO2在1 M KOH中的OER極化曲線；i）Ni-Co-Bi/CC、Ci-Bi/CC、CC和RuO2在0.1 K-Bi中CC上的OER極化曲線。

圖11.a）由Co4N、碳纖維網絡和碳布（Co4N/CNW/CC）組成的獨立式雙功能電極的制造示意圖。b）Co4N/CNW/CC的SEM圖像。c）Co4N/CNW/CC在1 M KOH中的OER極化曲線。d）由兩個鋅-空氣電池供電且串聯Co4N/CNW/CC電極的紅色小LED的照片。e）CCVG@CoNC的SEM圖像。f）CCVG@CoNC和基準電催化劑的OER測量。g）CCVG@CoNC的Tafel曲線。

圖12.a）制備獨立的Pt納米線膜的示意圖。b）在Ti網格（Co-Bi NA/Ti）上制造Co-Bi納米線的示意圖。c，d）Co-Bi NA/Ti在0.1 M K-Bi中和Co@Co-Bi/Ti在1 M KOH中的OER LSV曲線。

圖13.a）三維可充電Co3O4納米線空氣陰極的制作示意圖和光學圖像。c）納米Co3O4生長之前和d）之后SS網狀集電器的掃描電鏡圖像。e）在SS網格上生長的Co3O4納米線的Galvano動態放電-充電極化曲線，Co3O4納米線的GDL上噴涂了碳氣體擴散層（GDL）和Pt/C。f，g）在SS網格（NiS@SS）上生長的NiS納米片的SEM圖像。h）NiS@SS和其他催化劑的OER LSV曲線。