DOI: 10.1021/acsanm.0c01945

金属纳米颗粒修饰碳基纳米纤维作为分层结构电极，为低温燃料电池、电解槽、液流和空气电池以及电化学传感器的使用提供了更多的机会。在本文中，研究者提出了一种简便且可扩展的方法，用于在石墨化碳纳米纤维上制备由Pt纳米颗粒组成的纳米结构电极。静电纺丝直接解决了大规模生产Pt基燃料电池电催化剂的相关问题。通过含聚丙烯腈（PAN）和铂盐的前驱体静电纺丝和退火工艺，获得了约180nm厚的石墨化纳米纤维，其表面修饰有约5nm的Pt纳米颗粒。通过原位退火扫描透射电子显微镜，定性解析和定量分析了Pt纳米颗粒形成和运动的独特动力学。有趣的是，由于电催化是一种表面现象，通过非常有效的热诱导从纳米纤维内部到表面的偏析，提高了Pt的整体利用率。利用空间分辨拉曼光谱研究了所制备的纳米材料，发现掺杂Pt前体后纳米纤维的结构有序性更高。在复杂的碳基纳米结构体系中观察到的偏析现象和有序机制的合理化对于有效利用所有含金属的催化剂（如电化学氧还原反应）至关重要。

图1.（a-c）Pt负载PAN纳米纤维的SEM显微照片：（a）静电纺丝；（b）在空气中于250℃稳定后；以及（c）随后在真空中加热至1100℃。比例尺：3μm。插图：相应的样品照片。比例尺：1cm。（d-f）静电纺丝（d），稳定化（e）和碳化（f）纳米纤维的高倍SEM显微照片。比例尺：400nm。插图：放大一些纤维的比例，以观察到表面特征。比例尺：100nm。

图2.（a）含（绿线）和不含（红线）Pt-NPs的热处理纤维的拉曼光谱比较。光谱会垂直移动，以提高清晰度。（b）两种材料的G模式光谱宽度和D/G强度比的统计分析。（c，d）含Pt-NPs的系统的D/G强度比和G FWHM图。（e，f）不含Pt-NPs的系统的D/G强度比和G FWHM图。

图3.在1100℃下退火的单根电纺纳米纤维（含Pt纳米粒子）不同放大倍数的亮场（a-c）和环形暗场（d-f）显微照片。（c）与石墨Cg（002）平面相对应的平面间距离（红色）。（f）与Pt（111）平面相对应的平面间距离（黄色）。

图4.在1100℃下退火的纳米纤维（含Pt纳米粒子）的循环伏安图（200mV/s）。无需添加甲醇（a）和在0.1M H2SO4中添加1M甲醇（b）进行测量。（b）中的绿色箭头突出显示了与Pt-NPs氧化甲醇相关的峰。

图5.原位STEM退火实验的快照。在掺杂Pt前体的电纺PAN纳米纤维退火的三个不同阶段中，收集的亮场（a-c）和环形暗场（d-f）显微照片：（a，d）稳定化，（b，e）在750℃下加热和（c，f）在1100℃下加热。比例尺：200nm。（g）通过STEM分析揭示了相应的Pt-NP合成和表面偏析动力学的示意图。

图6.（a）750-1100℃退火期间纤维直径的热演变，数据来自原位STEM分析。虚线为方便观察。（b）比较不同温度下纳米粒子的分离和形成动力学。