電紡單鐵原子分散碳納米纖維，作為在酸性和堿性介質中進行氧還原反應的高性能電催化劑

DOI：10.1016/j.jcis.2019.12.120 

金屬（Fe/Co）、氮共摻雜碳是一類重要的氧還原反應（ORR），可以通過對過渡金屬大環化合物（TMMs）進行熱處理來獲得。然而，在TMMs的簡單熱解過程中，以金屬原子（M-N4）為主要活性中心的N4螯合物很容易被破壞，形成無機金屬物種。本文采用靜電紡絲法制備了含少量氯化血紅素（鹽酸血紅素（III），TMMs）的聚丙烯腈（PAN）納米纖維。通過預氧化和熱處理，將電紡納米纖維轉變成Fe、N共摻雜的碳納米纖維（Fe-N-CNFs）。PAN大分子可以阻止氯化血紅素在熱解過程中的聚集。Fe元素圖表明，Fe物種可能以單個原子形態存在。Fe-N-CNFs的Fe-K邊X射線吸收精細結構光譜證明，Fe-N4部分已被成功保留。Fe-N-CNFs的X射線光電子能譜表明，Fe-N4分子量隨著血紅素含量的增加而增加。因此，與Pt電催化劑相比，Fe-N-CNFs對ORR的催化活性更高。此外，Fe1-N-CNFs比Pt/C具有更高的穩定性和耐甲醇性。

圖1.Fe1-PAN-NFs（a）和Fe1-N-CNFs（b）的掃描電鏡圖像，（c）Fe1-N-CNFs、Fe2-N-CNFs的XRD圖譜，（d）Fe1-N-CNFs的氮氣吸附-解吸等溫線和尺寸分布（插圖）。

圖2.Fe1-N-CNFs的TEM（a）和HRTEM（b）圖像，Fe（c）和Fe、N（d）對應的EELS元素映射，（e）Fe1-N-CNFs和氯化血紅素的Fe元素 K邊XAFS譜，（f）Fe1-N-CNFs、氯化血紅素和Fe箔的EXAFS譜。

圖3. Fe1-N-CNFs的C1（a）、N1s（b）和Fe2p（d）的XPS高分辨率光譜，（c）以氯化血紅素的質量百分比計算的吡啶型N&Fe-N4（吡咯）和Fe-N4（吡啶）在Ntotal和原子含量中的比例。

圖4.（a）Fe1-N-CNFs、CNFs和Pt/C（1600 rpm）在O2飽和的0.1 M KOH中的LSV曲線，（b）Fe1-N-CNFs在O2飽和的0.1 M KOH中在不同轉速下的LSV曲線以及不同電勢下的電子轉移數（插圖），（c）由（圖4b，1600 rpm）衍生的Fel-N-CNFs的塔菲爾極化曲線，（d）Fe1-N-CNF和Pt/C在O2飽和的0.1 M KOH中以1600 rpm在0.7 V（vs.RHE）的i-t曲線。

圖5.（a）Fe1-N-CNFs在O2飽和的0.1 M HClO4中的LSV曲線，以及在不同電勢下的電子轉移數（插圖），（b）Fe1-N-CNFs和Pt/C（1600 rpm）在0.1 M HClO4中的LSV曲線，（c）Fe1-N-CNFs和Pt/C在O2飽和的0.1 M HClO4和0.1 M HClO4與1 M甲醇（400-1000 s）中以1600 rpm在0.56 V（vs.RHE）的i-t曲線。