DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153891

开发经济高效的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）双功能电催化剂对于可充电金属-空气电池的发展至关重要。在此，使用生物质木质素作为碳前体，PVP作为纺丝添加剂，硼酸锌作为硼源，氟化铵作为氟源和部分氮源，通过静电纺丝和热解工艺制备了B、N和F三掺杂木质素基碳多孔纳米纤维（BNF-LCFs），无需额外后处理。该方法简单、高效且环保。受益于B、N和F杂原子的协同效应、较大的比表面积和丰富的缺陷位点，BNF-LCF催化剂表现出令人印象深刻的ORR和OER双功能电催化性能，电位间隙（ΔE）为0.728V。其性能优于市售Pt/C+RuO2和最近报道的非金属碳基电催化剂。用BNF-LCFs组装的液态锌空气电池（ZABs）具有1.536V的高开路电位、791.5mAh/g的大比容量和良好的循环稳定性，优于Pt+RuO2基ZABs。此外，用BNF-LCFs组装的固态ZABs不仅具有优异的电化学性能，而且还表现出极好的机械柔性和循环稳定性，在柔性可穿戴电子设备中具有良好的应用前景。

图1.BNF-LCFs的制备过程示意图。

图2.（a,e）N-LCFs、（b,f）NF-LCFs、（c,g）BN-LCFs和（d,h）BNF-LCFs的SEM特征；（i）BNF-LCFs的TEM、（j）HRTEM和（k）映射图像。

图3.BNF-LCFs、BN-LCFs、NF-LCFs和N-LCFs的（a）XRD图谱、（b）拉曼光谱、（c）N2吸附-解吸等温线和（d）孔径分布。

图4.（a）BNF-LCFs、BN-LCFs、NF-LCFs和N-LCFs的N1s XPS高分辨率光谱；（b）催化剂中不同N物种的比例；（c）催化剂中不同N物种的绝对含量；（d）BNF-LCFs和BN-LCFs的B1s XPS高分辨率光谱；（e）BN-LCFs和BNF-LCFs中不同B物种的比例；（f）BN-LCFs和BNF-LCFs中不同N物种的绝对含量。

图5.（a）所有催化剂在O2饱和（实线）或N2饱和（虚线）的0.1M KOH溶液中的CV曲线；（b）所有催化剂的ORR LSV曲线；（c）塔菲尔斜率；（d）BNF-LCFs在400-2500rpm不同速率下的LSV曲线，插图为K-L曲线；（e）BNF-LCFs和N-LCFs的ECSAs；（f）奈奎斯特曲线（在0.844Vvs.RHE下记录）；（g）8000个CV循环前后BNF-LCFs的ORR LSVs；（h）8000个CV循环前后Pt/C的ORR LSVs；（i）BNF-LCFs和Pt/C持续40000秒的计时电流法测试。

图6.（a）BNF-LCFs、BN-LCFs、NF-LCFs、N-LCFs和RuO2催化剂的OER LSV曲线；（b）塔菲尔斜率；（c）BNF-LCFs、N-LCFs、Pt/C和RuO2催化剂的ORR和OER LSVs组合；（d-e）BNF-LCFs和RuO2在2000个CV循环前后的OER LSV曲线；（f）BNF-LCFs与最近报道的电催化剂的ORR和OER双功能催化性能比较。

图7.（a）液体ZAB示意图；（b）BNF-LCF基液体ZAB的开路电压；（c）由BNF-LCFs组装的三种液体ZABs供电的LEDs；（d）由BNF-LCFs或Pt/C+RuO2组装的液态ZABs的放电极化曲线和功率密度曲线；（e）由BNF-LCFs或Pt/C+RuO2组装的液态ZABs在10mA/cm2电流密度下的放电曲线；（f）由BNF-LCFs或Pt/C+RuO2组装的液体ZABs的比容量，该值标准化为消耗的锌板的质量；（g-i）由BNF-LCFs或Pt/C+RuO2组装的液体ZABs的放电-充电循环特性。

图8.（a）使用BNF-LCFs的固态ZAB的示意图；（b）基于BNF-LCF的固态ZAB的开路电压；（c）由BNF-LCFs组装的两种固态ZABs点亮的LED灯；（d）基于BNF-LCF的固态ZAB在交替折叠和释放情况下的充放电曲线。