DOI:10.1016/j.compositesb.2020.108058

本研究通过静电纺丝结合两步热解法成功合成了三维（3D）红千层状分层网络结构催化剂（CoNC/NCNTs@CNF），其中Co纳米颗粒被封装在N掺杂的碳纳米管顶点内。得益于独特的3D红千层状结构，CoNC/NCNTs@CNF可提供足够的表面积（261 m2 g-1）和增强的电子电导率（甚至优于Pt/C和RuO2）。由于高Co–N–C活性位点与独特的3D 红千层状结构之间偶联的协同作用，CoNC/NCNTs@CNF可用作氧还原反应、析氧反应和析氢反应的三功能电催化剂。此外，研究者将催化剂组装成用于锌-空气电池的空气电极，其最大功率密度为260 mW cm-2，甚至在5 mA cm-2下经过43小时也具有出色的循环稳定性。因此，这项工作为金属有机框架衍生的3D结构材料与电子反旋技术的结合提供了设计指南，从而在可再生能源技术中得到更广泛的应用。

图1.红千层状分层CoNC/NCNTs@CNF的制备过程示意图。（a）以MeIM和PAN为前驱体通过常规静电纺丝法合成一维纳米纤维。（b）ZIF-8/ZIF-67@PAN纤维是通过使纳米纤维与甲醇溶液反应得到的，甲醇溶液是含有Zn2+、Co2+的混合金属盐。（c）PAN纤维在900℃的N2气氛中热解。

图2.显微镜测量材料演变的过程。（a，b）分别是一维纳米纤维和ZIF-8/ZIF-67@PAN纤维的SEM图像。（c，d）不同放大倍数的CoNC/NCNTs@CNF的SEM图像（插图是红千层的数码照片）。（e，f，i）CoNC/NCNTs@CNF的TEM图像和相应的元素映射。（g，j）分支尖端的TEM图像和相应的元素映射。h）CoNC/NCNTs@CNF尖端的HR-TEM图像。

图3.（a）所制备产品的XRD图谱。（b）CoNC/NCNTs@CNF的XPS全扫描以及C 1s（c）、N 1s（d）和Co 2P（e）的高分辨率XPS。（f）材料演变的N2吸附-解吸等温线。

图4.最终产品的ORR性能。（a）在O2饱和的0.1 M KOH中，以1600rpm进行ORR的不同催化剂的LSV曲线。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C催化剂的Tafel图。（c）CoNC/NCNTs@CNF催化剂在各种电势下的Koutecky-Levich图。（d）在O2饱和的0.1 M KOH溶液中，CoNC/NCNTs@CNF催化剂的H2O2产率和电子转移数。（e）由不同催化剂的EIS测量得出的奈奎斯特图。（f）在1600rpm下、O2饱和的0.1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C在0.5 V下40,000s的电流时间（i-t）计时电流响应。

图5.最终产品的OER性能。（a）在1 M KOH中以1600rpm进行OER的不同催化剂的LSV曲线。（b）NC@CNF、CoNC@CNF、CoNC/NCNTs@CNF和RuO2催化剂的Tafel图。（c）由不同催化剂的EIS测量得出的奈奎斯特图。（d）在1 M KOH中不同电流密度下CoNC/NCNTs@CNF的计时电位曲线。（e）相对于各种样品的扫描速率绘制的电流密度差。（f）CoNC/NCNTs@CNF的OER稳定性测试，在1 M KOH中的初始极化曲线和第2000极化曲线。

图6.不同样品的HER性能。在1 M KOH中，CoNC/NCNTs@CNF的HER极化曲线（a）和相应的Tafel光谱（b）以及比较的样品。（c）具有300 mV相同超电势的不同样品修饰电极的奈奎斯特图。（d）CoNC/NCNTs@CNF的多电流过程。电流密度始于-10 mA cm-2，终于-60 mA cm-2。（e）相对于不同样品的扫描速率绘制的电流密度差。（f）在1 M KOH的稳定性测试中，CoNC/NCNTs@CNF催化剂在2000个CV循环前后的LSV曲线。

图7.（a）一次锌空气电池的示意图。（b）使用CoNC/NCNTs@CNF或Pt/C-IrO2作为两个空气电极的锌空气电池的充放电极化曲线。（c）CoNC/NCNTs@CNF和Pt/C-IrO2的V-I极化和相应的功率密度曲线。（d）基于CoNC/NCNTs@CNF的锌空气电池的照片，显示测量的开路电压约为1.42 V。（e）在双电极结构中涂有CoNC/NCNTs@CNF材料的水分解用碳纸的照片。（f）由锌空气电池供电的CoNC/NCNTs@CNF的总水分解的理论计算和实验测量的气体量与时间的关系。（g）5 mA cm-2的可充电锌空气电池的恒电流充放电循环曲线。