DOI: 10.1002/cssc.202201528

寻找高性能、低成本、高效的氧还原反应（ORR）催化剂对于可持续能源转换系统至关重要。在此，本研究通过静电纺丝和随后的碳化处理成功合成了高效且耐用的铁（Fe）、钴（Co）负载氮（N）和硫（S）共掺杂三维碳纳米纤维（FeCo-N,S@CNFs）。制备的FeCo-N,S@CNFs在N2和O2饱和的碱性0.1M KOH溶液中可作为有效的ORR催化剂。实验结果表明，FeCo-N,S@CNFs是一种高活性ORR催化剂，具有富缺陷的活性吡啶N和吡咯N以及N和S原子位点-金属键，这增强了其ORR活性。FeCo-N,S@CNFs具有高起始电势（Einite=0.89V）和半波电势（E1/2=0.85V），与商用Pt/C的电催化活性相似。此外，所制备的FeCo-N,S@CNFs催化剂的耐久性可保持14小时，同时具有长期稳定性和较高的甲醇耐受性，这说明其催化能力优异。接下来，比较了Co-N@CNFs、Fe-N@CNFs以及具有不同Fe和Co比率的FeCo-N,S@CNFs。结果表明，金属和杂原子之间的协同效应在增强ORR活性方面起着重要作用。由于其优异的催化还原能力，所制备的FeCo-N,S@CNFs可广泛用于电池系统，并取代燃料电池中的商用Pt/C。

图1.多孔FeCo-N,S@CNF催化剂的制备示意图。

图2.碳化后（a和a1）Co-N,S@CNFs、（b和b1）Fe-N,S@CNFs和（c和c1）FeCo-N,S@CNFs的低分辨率和高分辨率FESEM图像。（d）FeCo-N,S@CNFs的TEM、（e）HRTEM图像、（f）SAED图谱和（g）相应的HAADF，以及（h-m）Fe、Co、C、N、S和O的元素映射图像。

图3.（a）碳化后N@CNFs、Co-N,S@CNFs、Fe-N,S@CNFs和FeCo-N,S@CNFs的XRD和（b）拉曼光谱。（c）FeCo-N,S@CNFs的TGA/DTG曲线和FeCo-N,S@CNFs的高分辨率XPS光谱；（d）Fe2p，（e）Co2p，（f）C1s，（g）N1s，（h）S2p，（i）O1s。

图4.（a）FeCo-N,S@CNFs、Co-N,S@CNFs、Fe-N-S@CNFs和商用Pt/C的CV，（b）LSV曲线，（c）显示起始电位、半波电位和0.4V下极限电流的条形图，以及（d）Tafel斜率。（e）计算的FeCo-N,S@CNFs、Co-N,S@CNFs和Fe-N,S@CNFs的双电层电容（Cdl）和（f）Koutecky-Levich图。（g）基于RRDE测量得到的FeCo-N,S@CNFs的H2O2产率和电子转移数（n）。

图5.FeCo-N,S@CNFs上ORR反应途径的示意图。

图6.（a）FeCo-N,S@CNF和商用Pt/C在1M甲醇中的选择性和耐久性比较，（b）0.4V下相对电流密度与时间的关系。2000个CV循环后（c）FeCo-N,S@CNFs和（d）商用Pt/C的循环稳定性。