DOI: 10.1016/j.jcis.2023.05.147

用于锌-空气电池（ZABs）阴极的多孔碳基电催化剂因其催化活性低和电子导电性差而受到限制，难以快速商业化。为了解决ZABs的这些问题，本研究制备了嵌入铜纳米点的N、F共掺杂多孔碳纳米纤维（CuNDs@NFPCNFs），以增强电子导电性和催化活性。实验和密度泛函理论（DFT）模拟结果表明，CuNDs@NFPCNFs表现出优异的氧还原反应（ORR）性能。铜纳米点（CuNDs）和N、F共掺杂碳纳米纤维（NFPCNFs）协同增强了电催化活性。NFPCNFs中的CuNDs还增强了电子导电性，以促进ORR过程中的电子转移。NFPCNFs的开放多孔结构促进了溶解氧的快速扩散和丰富的气-液-固界面的形成，从而提高了ORR活性。CuNDs@NFPCNFs还显示出优异的ORR性能，在20000s的长期ORR测试后保持92.5%的催化活性。作为ZABs阴极，CuNDs@NFPCNFs表现出超过400h的超稳定充放电循环性能，771.3mAh/g的高比容量和204.9mW/cm2的优异功率密度。该工作有望为金属纳米点增强碳材料在ORR电催化剂设计中的作用机理研究提供参考和指导。

图1.CuNDs@NFPCNFs的制备过程。

图2.（a-c）CuNDs@NFPCNFs的HRTEM图像，（d）CuNDs@NFPCNFs的STEM图像，（e）亮场（BF）图像，（f）高角度环形暗场（HAADF）图像和（g-j）EDS映射。

图3.（a）XRD图谱，（b）电子电导率测量（5次重复实验），（c）拉曼光谱（3次重复实验得到ID/IG）和（d）孔径分布。

图4.（a）RDE测试和相应的（b）Tafel斜率曲线、（c）起始电位和半波电位以及（d）Tafel斜率统计。

图5.（a）ZABs超过20000s的ORR稳定性，（b）开路电压测量，（c）10mA/cm2下的恒电流放电曲线，（d）功率密度曲线和（e）长循环耐久性。

图6.CuNDs@NFPCNFs的XPS光谱：（a）N-1s轨道，（b）Cu-2p轨道，（c）C-1s轨道和（d）F-1s轨道。

图7.（a1-a3）Cu-NFC模型的初始结构，（b1-b3）弛豫结构，以及（c）模型的相应火山曲线（按碳原子的顺序编号）。