DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106246

开发用于在单一电解液体系中进行析氧和氢析反应（OER和HER）的高效、高耐久性无金属碳基电催化剂是实现可持续能源生产的关键和挑战。在这项工作中，研究者报告了一种简便且可扩展的策略，用于通过静电纺丝和随后的热处理制备具有可控硼含量的自支撑硼碳氮氧化物纳米纤维（BCNONF）垫。值得注意的是，最佳BCNONF垫在碱性电解液中显示出优异的OER性能，在10mA·cm-2下具有403mV的低过电位、72.9mV·dec-1的低Tafel斜率和高稳定性（10h后电流密度保持率为88.1％）)，优于商用Ir/C基准。此外，在相同电解液中，该催化剂的稳定性优于市售Pt/C催化剂，表明其双功能特性。当用作电解槽的负极和正极时，自支撑BCNONF垫表现出优异的活性，进行完全水分解时，在10mA·cm-2下的电位仅为1.79V，并且具有较高的长期耐久性（50h后电流密度保持率为90.6％）。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，BCNONF催化剂显著的OER和HER双功能特性源于O原子的吸附强度降低以及H*在BCNO表面的吸附比在CNO表面的吸附更强，从而促进了电催化中间体和BCNONF催化剂之间的有效界面电荷转移。

图1.（a）B-PANNF和BCNONF垫的制备过程示意图。（b）5％B-PANNF垫的典型SEM图像、（c）平均直径分布和（d）TEM图像。（e）硼片和B-PANNF垫的XRD图谱。（f）5％-BCNONF垫的SEM图像，（g）平均直径分布，（h-i）TEM和HRTEM图像。（j）HAADF-STEM和相应的元素映射以及单个5％-BCNONF内B、C、N和O元素的原子比。

图2.BCNONF催化剂的结构和组成表征。（a）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF和10％-BCNONF的XRD、（b）拉曼和（c）XPS全扫描光谱。5％-BCNONF的高分辨率XPS光谱：（d）C1s、（e）B1s和（f）N1s。

图3.BCNONF催化剂在1M KOH中的电催化活性。（a）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF、10％-BCNONF和Ir/C催化剂在10mV·s-1扫描速率下的OER极化曲线和（b）相应Tafel图。（c）Ir/C和5％-BCNONF催化剂在恒定电位、10mA·cm-2的电流密度下的I-t曲线。（d）CNONF、1％-BCNONF、5％-BCNONF、10％-BCNONF和Pt/C催化剂在10mV·s-1扫描速率下的HER极化曲线和（e）相应Tafel图。（f）Pt/C和5％-BCNONF催化剂在恒定电位下的I-t曲线，电流密度为10mA·cm-2。（g）基于自支撑5％-BCNONF垫的完全水分解示意图。（h）扫描速率为10mV·s-1时的LSV极化曲线。（i）5％-BCNONF双功能催化剂在1.79V恒定电压下于1M KOH中保持50h的长期稳定性。

图4.（a）用数字标记BCNO模型上OER和HER所涉及物种的可能吸附位点。在平衡和极限电位下，（b）BCNO和（c）CNO表面模型OER途径的标准自由能图。插图分别是表面模型的顶视图以及OH*、O*和OOH*吸附构型的侧视图。（d）BCNO和CNO模型上HER的三态自由能图。插图是不同模型上H原子吸附结构的顶视图。