DOI:10.1016/j.apsusc.2020.148700

在本研究中，采用ZnCl2溶液对聚吡咯（PPy）纳米纤维进行简单的表面处理，以通过气体传输的方法来制备金属Co锚定N掺杂碳（称为Co/N-CZn）。结构表征表明，通过这种表面处理，Co/N-CZn的内在结构在形态、孔结构和缺陷方面得到了极大的调整，从而导致金属Co的负载量增加，比表面积增大以及作为有效活性位点的吡啶氮和Co-N物种增多。受益于结构调制，Co/N-CZn表现出优异的ORR活性和动力学特性，其正半波电位为0.88V（相对于RHE），在0.85V（相对于RHE）下的高动态电流密度（Jk）值为36.6 mA cm-2，低Tafel斜率为55.9 mV dec-1，甚至优于商用Pt/C。此外，Co/N-CZn的OER性能也得到了改善，在10 mA cm-2下的过电位为280mV，超过了商业RuO2（295mV）。综上，Co/N-CZn有望取代商用Pt/C和RuO2，以驱动液态和固态可再充电锌空气电池，其峰值功率密度分别为196 mW cm-2和130 mW cm-2。

图1.a）Co/N-CZn的制备过程示意图。b）Co/N-C和Co/N-CZn的XRD图，c）拉曼光谱和d）热重曲线。

图2.a）Co/N-C的TEM图像和b）HRTEM图像。c）Co/N-CZn的TEM图像和d）HRTEM图像。e）Co/N-CZn的元素映射。

图3.a）Co/N-C和Co/N-CZn的N2吸附-解吸等温线。b）Co/N-C和Co/N-CZn的高分辨率N1s光谱。c）Co/N-C和Co/N-CZn中不同N种类的含量以及N-CZn基体结构转变的示意图。d）Co/N-CZn的高分辨率Co2p光谱。

图4.在O2饱和的0.1M KOH中测试的ORR性能：a）CV曲线，b）LSV曲线（转速：1600rpm，插图显示了在0.85V（相对于RHE）下不同催化剂的Eonset、E1/2和Jk之间的比较）c）Tafel图，d）在不同转速下的LSV曲线（插图显示了相应的K-L图），e）电子传递数和H2O2产率与电势之间的关系，f）Co/N-C、Co/N-CZn和商用Pt/C的计时安培响应（在0.5V（相对于RHE）下转速为1600rpm）。

图5.在O2饱和的1M KOH中测试的OER性能：a）Co/N-C、Co/N-CZn和商用RuO2的LSV曲线和b）奈奎斯特图（电势：1.62V（相对于RHE），频率范围：100kHz-0.1Hz）。插图显示了CV拟合曲线以给出Co/N-C和Co/N-CZn的Cdl值。c）在1.61V（相对于RHE）下测得的计时电流响应。d）Co/N-C和Co/N-CZn的整体LSV曲线，在0.1M KOH中以1600rpm的转速测量。

图6.使用Co/N-CZn作为空气电极的液态锌空气电池性能。a）放电极化曲线和相应的功率密度图。b）在50 mA cm-2的电流密度下测试的放电曲线（插图显示了一个由两个串联锌空气电池供电的LED）。c）充放电极化曲线。d，e）在电流密度为10 mA cm-2时的循环性能。

图7.使用Co/N-CZn作为空气电极的固态锌空气电池性能。a）放电极化曲线和相应的功率密度图。b）在2 mA cm-2的电流密度下的循环性能，以商用Pt/C+RuO2作为参考。