DOI: 10.1002/aenm.201902115

由于静电纺丝制备的纳米纤维具有比表面积大、电荷传输路径短、化学稳定性强等优点，该技术在设计和制备燃料电池和金属-空气电池中用于氧气电催化的一维纳米纤维方面受到了极大的关注。本文简要介绍了燃料电池、金属-空气电池以及静电纺丝的工作原理。此后，阐述了静电纺丝制备无贵金属电催化剂的最新进展，主要包括杂原子掺杂电纺碳纳米纤维（ECNFs），过渡金属纳米粒子及其化合物（合金，氧化物，碳化物，氮化物，硫化物，磷化物）功能化的ECNFs，以及具有独特结构的过渡金属-氮-ECNFs（包括单原子催化剂）。重点介绍了具有自立特性的静电纺丝电极。接下来，还讨论了基于以氧化物、氮化物和碳化物为电催化剂或其杂化材料的其它电纺纳米纤维。最后，介绍了静电纺丝纳米纤维基氧电催化剂的发展前景和未来可能的研究方向。在理解如何设计和制备先进能量转换和存储设备的前提下，本综述具有一定的启示性。

图1.a）金属-空气电池的结构示意图和基本原理。b）静电纺丝实验的实验室设置示意图。

图2.静电纺丝无机纳米纤维复合材料在电化学能量转换中的应用领域示意图。

图3.a）具有不同结构的电纺纳米纤维的示意图。b）由微小的无机纳米颗粒组成的介孔纳米管的示意图，介孔纳米管由无机纳米颗粒、碳纳米管和豌豆状纳米管组成。c）FeNO-CNT-CNFFs的应力-应变曲线。d）通过自由表面静电纺丝批量生产Fe-NFF，稳定的M-NFFs和碳化后生成的MNO-CNT-CNFFs。

图4.a）NCNFs和b）CNFs的TEM图像。插图显示相应的SEM图像。c）NCNFs的HRTEM图像。插图显示了相应的TEM图像。d）NCNF的制备过程示意图。e）不同NCNF催化剂的LSV曲线。f）比较使用NCNF催化剂和Pt/C的一次锌-空气电池的极化和功率密度曲线。g）带有NCNF的全固态可充电锌-空气电池的恒电流充放电循环曲线。

图5.a）HP-NCNFs的制备过程示意图。b）HP-NCNFs的SEM图像。c）HPCNFs的制备过程示意图。d）HPCNFs的HRTEM图像。插图显示了自支撑柔性HPCNFs薄膜的相应照片。

图6.a）自支撑Co@NS/CNT-MCF垫和相应微结构的制备过程示意图。b）Co@NS/CNT-MCF的SEM图像。c）Li-O2电池的循环稳定性。d）CNF@CoNC的制备过程示意图。e）NiCo@N-C-2样品的SEM和f）元素映射图。

图7.a）Mo2C/NPCNFs的SEM图像。b）Mo2C/NPCNFs的HRTEM图像。c）不同催化剂的ORR极化曲线。d）ORR极化曲线。

图8.a）在不同氧化时间下Co NPs@HPNCS随时间变化的TEM图像。b）TEM图像。c）所制备样品的ORR/OER双功能活性。d）使用Co3O4-xHoNPs@HPNCS-60和Pt/C+RuO2//CNF作为正极，锌-空气电池的放电极化曲线和相应的功率图。e）MnO-NCNFs的HRTEM图像。f）MnO-NCNFs和Pt/C的稳定性测试。

图9.a）CCO@C的SEM图像。插图显示放大的SEM图像。b）CCO@C的元素映射图像。c）使用CCO@C的可充电锌-空气电池的方案。d）XRD图谱。插图显示了CoFe2O4的晶体结构。e）CoFe2O4@N-CNFs的TEM和f）HRTEM图像。插图显示了粒径分布和SAED图谱。g）CoFe2O4@N-CNFs和市售RuO2催化剂在不同电势下获得的电流密度比较。h）CoMn2O4-600的SEM图像。插图显示了相应的TEM图像。i）CoMnO-600在1000次循环之前和之后的极化曲线。插图显示了稳定性测试后CoMnO-600的TEM图像。

图10.a）Co9S8-NSHPCNF的TEM图像。插图显示相应的SEM图像。b）Co9S8-NSHPCNF和Pt/C+IrO2的充放电极化曲线。c）SEM图像。插图显示放大的SEM图像。d）Ni2P@NPCNFs的TEM图像。插图显示了相应的尺寸分布。e）静电纺丝系统的示意图以及包封NiCoP的CNF的开发。f）NiCoP/CNF900的元素映射。g）不同样品的ORR和h）OER极化曲线。

图11.a）Co9S8@MoS2/CNFs杂化结构的HRTEM图像。b）Co9S8@MoS2纳米晶体的线扫描EDX光谱。c）不同样品的OER极化曲线。插图显示相应的Tafel斜率。d）Fe-N/C NNs和Fe-N/C NMs的制备过程示意图。e）Fe-N/C NNs的SEM和f）HRTEM图像。

图12.a）原始Co-N-C、Co@SACo-N-C和Pt/C催化剂进行ORR的LSV。b）具有不同Co-N-C纳米纤维正极的H2-O2燃料电池的稳态极化曲线。c）Co SA@NCF/CNF的SEM和d）HAADF-STEM图像。e）Co SA@NCF/CNF和参照的EXAFS光谱。f）可穿戴式锌-空气电池的示意图。g）FeCl1N4/CNS的示意图模型：Fe（红色），Cl（绿色），S（黄色），N（蓝色）和C（灰色）。h）EG、Fe/EG、NF/EG和FeNxNF/EG的极化曲线。i）OER过电位与O*和OH*吸附自由能之差的关系示意图。

图13.a）Co3O4 NF/GNF复合材料的TEM图像。b）初始充电/放电曲线和c）循环性能。d）CMO/S合成策略的示意图。e）CMO/S-300的TEM图像。插图显示了相应的晶体结构。f）分别为CMO和CMO/S-300的Mn K边缘EXAFS光谱。g）在1 mA cm-2的电流密度下，在0°、30°、60°、90°、120°和150°弯曲角度下的放电曲线。

图14.a）具有复杂1D纳米结构（包括套管式、纳米管和固体1D纳米结构）的三元TMO形成过程的示意图，以及相应的TEM图像。b）TEM图像。c）PBC/PBSCF双钙钛矿晶体结构示意图。d）PBSCF-III的TEM图像。e）OER活性曲线。f）整个OER系统的吉布斯自由能变化。g）SNCF-NR的SEM图像。h）用于OER/ORR催化的PBSCF-NF的示意图。

图15.a）Pt/TiN NTs的制备方案。b）Pt/TiN NT的TEM图像。插图显示了相应的HRTEM图像。c）Pt/TiN NTs和Pt/C的Pt 4f XPS光谱。d）ADT前后Pt/TiN NTs和Pt/C的LSV曲线；e）电催化剂的相应活性变化。