DOI: 10.1016/j.cej.2022.137111

低杂原子掺杂量和电化学惰性硼（B）-氮（N）键的不可控形成阻碍了B和N共掺杂碳质催化剂的电催化活性。在此，研究者通过热解由静电纺丝制成的3D醋酸钴/羟基苯硼酸/聚乙烯吡咯烷酮前体网络成功合成了新型三维（3D）钴（Co）纳米粒子（NPs）嵌入超高B和N掺杂分层多孔碳纳米线（表示为Co@BNPCFs）。优化热解温度后，最优的Co@BNPCFs-800具有较大的表面积和丰富的碳边缘/缺陷。特别是，6.86原子％的B和6.59原子％的N原子掺杂到碳骨架中，提供了13.45原子％的B/N活性中心（即BC3、吡啶-N、Co-Nx-C、吡咯-N和石墨-N）。在碱性溶液中，最佳Co@BNPCFs-800（151.3mV）在10mA/cm2下的析氢反应过电位仅比20wt%Pt/C（68.9mV）大82.4mV。最佳Co@BNPCFs-800在10mA/cm2时的析氧反应电位（1.554Vvs.RHE）甚至比RuO2（1.556Vvs.RHE）负2mV。对于全水分解，基于Co@BNPCFs-800的电解池只需1.596V的小电压即可达到10mA/cm2，比最先进的20wt%Pt/C||RuO2基准（1.615V）低19mV。完美的3D分层多孔结构和分散在Co@BNPCFs-800表面上丰富的电催化活性位点是出色水分解性能的根本原因。此外，由于良好的结构和化学稳定性，Co@BNPCFs-800纳米线基水电解槽也表现出优异的水电解稳定性。

图1.Co@BNPCFs-800网络的SEM图像（a）。Co@BNPCFs-600（b）、Co@BNPCFs-700（c）、Co@BNPCFs-800（d）、Co@BNPCFs-900（e）和Co@BNPCFs-1000（f）材料的放大SEM图像。

图2.Co@BNPCFs-600（a）、Co@BNPCFs-700（b）、Co@BNPCFs-800（c）、Co@BNPCFs-900（d）和Co@BNPCFs-1000（e）材料的TEM照片。分散在Co@BNPCFs-800上的单个Co NP的HRTEM图像（f）以及相应的FFT图谱（g）。Co@BNPCFs-800的STEM图像（h）以及C（i）、B（j）、N（k）、O（l）和Co（m）元素的相应EDS映射。

图3.Co@BNPCFs-800的HAADF-STEM图像（a）以及C（b）、B（c）、N（d）、O（e）和Co（f）元素的线扫描STEM-EDS元素分布，电子束沿a所示HAADF-STEM图像中的箭头方向扫描两个单独的Co@BNC NPs。

图4.Co@BNPCFs-800的XRD图（a）、N2吸附-解吸等温线（b）、孔径分布图（c）和拉曼光谱（d）。在600、700、800、900和1000℃下合成的Co@BNPCFs-T材料的BET表面积（b插图）和ID/IG（d插图）的直方图。

图5.所得Co@BNPCFs-800网络的XPS全扫描（a）、高分辨率C1s（b）、高分辨率O1s（c）、高分辨率Co2p（d）、高分辨率B1s（e）和高分辨率N1s（f）光谱。五个Co@BNPCFs-T样品中B（g）和N（h）物种的相应含量。

图6.Co@BNPCFs-T（T=600,700,800,900,1000℃）和20wt%Pt/C催化剂的HER LSV极化曲线（a）、ηonset和η10值（b）以及Tafel图（c）。不同Co@BNPCFs-T催化剂在-0.2V（vs.RHE）下的EIS光谱（d）以及在+0.05V（vs.RHE）下的电容电流（Δj=ja-jc）与扫描速率的函数关系（e）。（f）最佳Co@BNPCFs-800和20wt%Pt/C催化剂在-0.25V（vs.RHE）下记录的计时电流响应（I-t）。

图7.Co@BNPCFs-T（T=600、700、800、900和1000）催化剂和市售RuO2的OER LSV极化曲线（a）、Eonset和E10值（b）以及Tafel图（c）。不同Co@BNPCFs-T催化剂在+1.60V（vs.RHE）下测量的EIS光谱（d）以及在+1.40V（vs.RHE）下的电容电流（Δj=ja-jc）与扫描速率之间的函数关系（e）。（f）最佳Co@BNPCFs-800和RuO2在1.65V下记录的计时电流响应（I-t）。

图8.Co@BNPCFs-800网络的整体水分解测试：（a）整体水分解装置的示意图。（b）（-）Co@BNPCFs-800||Co@BNPCFs-800（+）和（-）20wt%Pt/C||RuO2（+）电解池的整体水分解LSV曲线；b插图：显示Co@BNPCFs-800阳极和Co@BNPCFs-800阴极上产生O2和H2气泡的照片。（c）制备的Co@BNPCFs-800和其他先前报道的催化剂在10mA/cm2下的槽电压比较。（d）（-）Co@BNPCFs-800||Co@BNPCFs-800（+）在1.0M KOH中于1.66V槽电压下历时30h的整体水分解催化稳定性。

图9.在1.0M KOH中进行30h水分解稳定性测试后，从（-）Co@BNPCFs-800||Co@BNPCFs-800（+）槽阴极和阳极收集的经HER的Co@BNPCFs-800（a1-a3）和经OER的Co@BNPCFs-800（b1-b3）网络的高分辨率Co2p（a1,b1）、B1s（a2,b2）和N1s（a3,b3）光谱。