DOI：10.1016/j.electacta.2020.13564
本文報告了新型交聯、功能性多孔碳納米片（CNSs）的合成。首先通過靜電紡絲將聚乙烯吡咯烷酮/過渡金屬乙酸酯/N-N-二甲基甲酰胺前驅體編織成網絡。所得的前驅體網絡在熱解后轉變為由交聯的介孔/大孔CNS（即FeCo@NCNS）組成的三維（3D）分層多孔材料。表征結果表明，大量的超細FeCo@NC單元、N-C鍵、金屬氮摻雜碳（M-N-C）物種和含氧官能團沿著FeCo@NCNS的表面分散，它們充當著氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的電催化活性位點。由于分層多孔結構和高密度活性位點的協同作用，最佳FeCo@NCNS對ORR的正起始電位（相對于可逆氫電極（vs.RHE）為0.98 V）和半波電位（相對于可逆氫電極為0.827 V）均高于Pt/C（相對于可逆氫電極為0.97 V和0.819 V）。同時，FeCo@NCNS（相對于可逆氫電極為1.597 V）在10 mA cm-2處的OER電位比RuO2（1.631）更負。此外，FeCo@NCNS的氧電極活性（?E=E10，OER-E1/2，ORR）低至0.772 V，超過了最先進的Pt/C（ORR）-RuO2（OER）催化劑組合（?E=0.812 V）。實驗結果表明，FeCo@NCNS是用于ORR和OER的最佳非貴金屬雙功能電催化劑之一。
圖1.所得對照材料的SEM圖像（a1-e1）、TEM圖像（a2-e2）和粒度分布圖（a3-e3）。 在800℃下煅燒的不同對照材料的HRTEM圖像（a4-e4）和晶格條紋（a5-e5）。 不同的材料：Fe3C@NPCF（a1，a2，a3，a4和a5），Fe7Co3@NCNS（b1，b2，b3，b4和b5），FeCo@NCNS（c1，c2，c3，c4和c5），Fe3Co7@NCNS（d1，d2，d3，d4和d5）和Co@NCNS（e1，e2，e3，e4和e5）。
圖2.（a）FeCo@NCNS的HRTEM圖像。（b）FeCo@NCNS的單個納米粒子的HRTEM圖像。（c）FeCo@NCNS的HAADF-STEM圖像。（d）通過EDS用電子束沿選定的箭頭方向掃描單個FeCo納米粒子獲得的組成線輪廓如圖c所示：黑色（C），紅色（O），綠色（N），藍色（Fe）和淺藍色（Co）。Fe3C@NPCF（e1，f1和g1）、Fe7Co3@NCNS（e2，f2和g2）、FeCo@NCNS（e3，f3和g3）、Fe3Co7@NCNS（e4，f4和g4）和Co@NCNS（e5，f5和g5）的XRD圖譜（e）、氮氣吸附-解吸等溫線（f）和拉曼光譜（g）。
圖3.Fe3C@NPCF（a1，b1和c1）、Fe7Co3@NCNS（a2，b2和c2）、FeCo@NCNS（a3，b3和c3）、Fe3Co7@NCNS（a4，b4和c4）和Co@NCNS（a5，b5和c5）對照樣品的高分辨率C 1s（a）、N 1s（b）和Co 2p3/2（c）光譜。含量比較分別指Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS和Co@NCNS對照樣品的C（d）、N（e）和Co（f）基物種。
圖4.相對于RHE，在0.3和0.6 V之間測得的Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS、Co@NCNS和20 wt.% Pt/c催化劑在氧氣飽和的0.1 M KOH中測得的的ORR極化LSV曲線（a）、Eonset直方圖、E1/2和j0.4v vs.RHE的值（b）、Tafel曲線（c）以及電子轉移數（d）。（e）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在氧氣飽和的0.1 M KOH中測得的RRDE測量值（環電流和盤電流）和（f）對應的過氧化物百分比（實線）以及電子轉移數。（g）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在含或不含甲醇的氧氣飽和的0.1 M KOH溶液中的LSV曲線。（h）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在氧氣飽和的0.1 M KOH電解液中5000個循環前后的LSV曲線。需要注意的是，所有對照樣品的催化劑負載量均為458.6μg cm-2。
圖5.在氧氣飽和的0.1 M KOH溶液中進行ORR穩定性測試后的ORR后FeCo@NCNS催化劑的SEM（a）和TEM（b）圖像。原始FeCo@NCNS（在ORR測試之前）和ORR后FeCo@NCNS的高分辨率O 1s（c）、N 1s（d）、Fe 2p3/2（e）和Co 2p3/2（f）光譜（在ORR測試之后）。
圖6.（a）Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS、Co@NCNS、RuO2和20wt.% Pt/C催化劑的OER LSV極化曲線和（b）Tafel圖。（c）相對于RHE，在1.34 V的EIS光譜和（d）電容電流隨掃描速率的變化，該速率根據圖S12中Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS和Co@NCNS對照樣品計算。所有對照樣品的催化劑負載量均為458.6 μg cm-2。
圖7.（a）相對于RHE，在+1.20和+1.90 V之間用于OER的FeCo@NCNS、RuO2和20 wt.% Pt/C的TOF值。（b）相對于RHE，在+1.20和+1.75 V之間，進行5000次循環前后，在氧氣飽和的0.1 M KOH溶液中測得的FeCo@NCNS和RuO2的LSV曲線。在氧氣飽和的0.1 M KOH溶液中進行OER穩定性測試后的OER后FeCo@NCNS的SEM（c）和TEM（d）圖像。原始FeCo@NCNS（在OER測試之前）和OER后FeCo@NCNS（OER測試之后）催化劑的高分辨率O 1s（e）、N 1s（f）、Fe 2p3/2（g）和Co 2p3/2（h）光譜。所有對照樣品的催化劑負載量均為458.6 μg cm-2。
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