DOI: 10.1039/d2qi00261b

本研究通过热解ZIF-8/ZIF-67和聚丙烯腈纤维复合材料，合成了一种新颖独特的爆米花状三维（3D）分层结构电催化剂，其中氮掺杂无定形碳涂覆爆米花状Co3O4纳米颗粒锚定在N掺杂碳纳米管（NCNTs）尖端，NCNTs生长在碳纳米纤维上（NAC@Co3O4/NCNTs/CNF）。由于3D分层NCNTs网络和爆米花状Co3O4物种的积极协同效应，NAC@Co3O4/NCNTs/CNF表现出优异的析氢反应性能（HER；10mA/cm2下的过电位仅为76mV）和极好的氧还原反应稳定性（ORR；70小时后初始ORR活性保持73%）。密度泛函理论（DFT）计算表明，爆米花状Co3O4物种与NCNTs之间的化学相互作用有利于含氢和含氧中间体的化学吸附，从而提高ORR、OER和HER性能。此外，研究者将NAC@Co3O4/NCNTs/CNF用于组装可充电锌空气电池和整体水分解装置，其显示出267.58mW/cm2的最大功率密度和接近100%的法拉第效率，有望超越传统的三功能电催化剂。综上，这一发现为高效三功能材料的合成及应用提供了新的思路。

图1.每一步材料的形态结构测量。（a-d）分别为一维纳米纤维、ZIF-8/ZIF-67@PAN纤维、NGC@Co/NCNTs/CNF和NAC@Co3O4/NCNTs/CNF的SEM图像。图1c和d插图中的TEM图像显示了每个相应的分支尖端。（e,f,i）NAC@Co3O4/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）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF尖端的HR-TEM图像。

图2.（a）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF的XRD图谱和（b-e）高分辨率XPS全扫描。（f）所制备催化剂的N2吸附-解吸等温线。

图3.（a）1600rpm时的ORR极化曲线。（b）塔菲尔图。（c）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF在不同转速下的LSV曲线和相应的K-L图。（d）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF的H2O2产率和电子转移数。（e）电化学阻抗谱图。（f）0.4V和1600rpm下的电流-时间计时电流响应。

图4.（a）在1M KOH中于1600rpm下的LSV曲线。（b）塔菲尔曲线。（c）电化学阻抗谱图。（d）不同电流密度下的计时电位曲线。（e）各种样品电流密度差异与扫描速率的关系图。（f）从初始到第2000次极化曲线的OER稳定性测试，插图显示最初和13小时后Ej=10时的电流-时间计时电流响应。

图5.（a）在1M KOH中的HER极化曲线。（b）塔菲尔图。（c）1.53V时的奈奎斯特图。（d）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF和Pt/C催化剂的多电流过程。（e）针对20至80mV/s的不同扫描速率绘制的电流密度差异。（f）NAC@Co3O4/NCNTs/CNF在1M KOH中以1600rpm进行2000次电位循环前后的极化曲线。

图6.（a）锌空气电池示意图。（b）充电和放电极化曲线。（c）放电极化曲线和相应的功率密度曲线。（d）基于NAC@Co3O4/NCNTs/CNF的ZAB的开路电压。（e）由两个基于NAC@Co3O4/NCNTs/CNF的锌空气电池驱动的LEDs（2.5V）的照片。（f）由锌空气电池供电NAC@Co3O4/NCNTs/CNF进行整体水分解时，理论计算和实验测量的气体量与时间的关系。（g）可充电锌空气电池在5mA/cm2电流密度下的恒电流循环性能。

图7.NAC@Co3O4/NCNTs/CNF进行ORR和OER的DFT计算。（a）对中间体具有不同吸附状态的OER/ORR催化剂的原子构型。NAC@Co3O4/NCNTs/CNF和NGC@Co/NCNTs/CNF的（b）ORR、（c）OER和（d）HER自由能图。