DOI:10.1016/j.compositesb.2020.108058
本研究通過靜電紡絲結合兩步熱解法成功合成了三維（3D）紅千層狀分層網絡結構催化劑（CoNC/NCNTs@CNF），其中Co納米顆粒被封裝在N摻雜的碳納米管頂點內。得益于獨特的3D紅千層狀結構，CoNC/NCNTs@CNF可提供足夠的表面積（261 m2 g-1）和增強的電子電導率（甚至優于Pt/C和RuO2）。由于高Co–N–C活性位點與獨特的3D 紅千層狀結構之間偶聯的協同作用，CoNC/NCNTs@CNF可用作氧還原反應、析氧反應和析氫反應的三功能電催化劑。此外，研究者將催化劑組裝成用于鋅-空氣電池的空氣電極，其最大功率密度為260 mW cm-2，甚至在5 mA cm-2下經過43小時也具有出色的循環穩定性。因此，這項工作為金屬有機框架衍生的3D結構材料與電子反旋技術的結合提供了設計指南，從而在可再生能源技術中得到更廣泛的應用。
圖1.紅千層狀分層CoNC/NCNTs@CNF的制備過程示意圖。（a）以MeIM和PAN為前驅體通過常規靜電紡絲法合成一維納米纖維。（b）ZIF-8/ZIF-67@PAN纖維是通過使納米纖維與甲醇溶液反應得到的，甲醇溶液是含有Zn2+、Co2+的混合金屬鹽。（c）PAN纖維在900℃的N2氣氛中熱解。
圖2.顯微鏡測量材料演變的過程。（a，b）分別是一維納米纖維和ZIF-8/ZIF-67@PAN纖維的SEM圖像。（c，d）不同放大倍數的CoNC/NCNTs@CNF的SEM圖像（插圖是紅千層的數碼照片）。（e，f，i）CoNC/NCNTs@CNF的TEM圖像和相應的元素映射。（g，j）分支尖端的TEM圖像和相應的元素映射。h）CoNC/NCNTs@CNF尖端的HR-TEM圖像。
圖3.（a）所制備產品的XRD圖譜。（b）CoNC/NCNTs@CNF的XPS全掃描以及C 1s（c）、N 1s（d）和Co 2P（e）的高分辨率XPS。（f）材料演變的N2吸附-解吸等溫線。
圖4.最終產品的ORR性能。（a）在O2飽和的0.1 M KOH中，以1600rpm進行ORR的不同催化劑的LSV曲線。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C催化劑的Tafel圖。（c）CoNC/NCNTs@CNF催化劑在各種電勢下的Koutecky-Levich圖。（d）在O2飽和的0.1 M KOH溶液中，CoNC/NCNTs@CNF催化劑的H2O2產率和電子轉移數。（e）由不同催化劑的EIS測量得出的奈奎斯特圖。（f）在1600rpm下、O2飽和的0.1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C在0.5 V下40,000s的電流時間（i-t）計時電流響應。
圖5.最終產品的OER性能。（a）在1 M KOH中以1600rpm進行OER的不同催化劑的LSV曲線。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和RuO2催化劑的Tafel圖。（c）由不同催化劑的EIS測量得出的奈奎斯特圖。（d）在1 M KOH中不同電流密度下CoNC/NCNTs@CNF的計時電位曲線。（e）相對于各種樣品的掃描速率繪制的電流密度差。（f）CoNC/NCNTs@CNF的OER穩定性測試，在1 M KOH中的初始極化曲線和第2000極化曲線。
圖6.不同樣品的HER性能。在1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF的HER極化曲線（a）和相應的Tafel光譜（b）以及比較的樣品。（c）具有300 mV相同超電勢的不同樣品修飾電極的奈奎斯特圖。（d）CoNC/NCNTs@CNF的多電流過程。電流密度始于-10 mA cm-2，終于-60 mA cm-2。（e）相對于不同樣品的掃描速率繪制的電流密度差。（f）在1 M KOH的穩定性測試中，CoNC/NCNTs@CNF催化劑在2000個CV循環前后的LSV曲線。
圖7.（a）一次鋅空氣電池的示意圖。（b）使用CoNC/NCNTs@CNF或Pt/C-IrO2作為兩個空氣電極的鋅空氣電池的充放電極化曲線。（c）CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C-IrO2的V-I極化和相應的功率密度曲線。（d）基于CoNC/NCNTs@CNF的鋅空氣電池的照片，顯示測量的開路電壓約為1.42 V。（e）在雙電極結構中涂有CoNC/NCNTs@CNF材料的水分解用碳紙的照片。（f）由鋅空氣電池供電的CoNC/NCNTs@CNF的總水分解的理論計算和實驗測量的氣體量與時間的關系。（g）5 mA cm-2的可充電鋅空氣電池的恒電流充放電循環曲線。
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