改性多孔碳纤维已成为锌-空气电池（ZAB）系统的关键电催化材料。然而，制备多孔碳纤维的方法大多比较复杂，且制备的材料功能单一，催化活性差，阻碍了ZABs的发展。

近期，天津工业大学康卫民教授&邓南平副教授通过静电纺丝和高温碳化，设计并合成了一种含原位生长氟化铝纳米颗粒的新型N、F共掺杂分层多孔碳纤维（AlF3@HPCNFs）。N、F共掺杂有效地调节了相邻碳原子的电荷密度，并引入了额外的活性位点。此外，催化过程还诱导了AlF3纳米颗粒的表面重建，使其能够充分暴露在液态电解质中并加速催化反应。而且，这种相互连接的分层多孔结构加速了氧/碳基基底/电解质三相界面的传质，从而增强了反应动力学和催化活性位点的可及性，最终提高了这些位点的利用效率。因此，AlF₃@HPCNFs催化剂表现出优异的双功能性能和较窄的电位差（△E=0.67V）。另外，使用该双功能电催化剂的可充电ZABs具有高比容量（796mAh/gzn）和出色的循环稳定性（超过500 h），明显优于市售的Pt/C + RuO₂电池。这项研究证明了AlF₃@HPCNFs作为双功能电催化剂的潜力，并介绍了一种用于可充电ZABs的金属氟化物改性分层多孔碳纳米纤维的简便制备方法。

图1.AlF₃@HPCNFs的合成与表征。

图2.（a-b）AlF₃@HPCNF的TEM图像，（c）AlF₃@HPCNF的高角度环形暗场（HAADF）图像，（d）亮场（BF）图像，（e-f）HR-TEM图像，和（g-k）EDS映射。

图3.（a）AlF₃@HPCNFs的XRD图谱和（b）拉曼光谱，（c）AlF₃@HPCNFs-3和PCNFs的N₂吸附-解吸等温线，以及（d）AlF₃@HPCNFs的孔径分布。

图4.PCNFs和AlF₃@HPCNFs的XPS光谱：（a）F-1s轨道，（b）N-1s轨道。AlF₃@HPCNFs的（c）Al-2p轨道和（d）O-1s轨道的XPS光谱及其耐久性试验（5000个CV循环）前后的比较。

图5.（a）RDE试验中的ORR LSV和相应的（b）Tafel斜率曲线。（c）不同速度下的LSV曲线，以及拟合的Koutecky-Levich图（j-1与ω-1/2）。（d）RRDE测试。（e）AlF₃@HPCNFs-3的ORR耐久性试验（5000个CV循环前后的LSV曲线）。（f）OER LSVs，以及相应的（g）Tafel斜率曲线和（h）Cdl图。（i）AlF3@HPCNFs-3的OER耐久性试验（5000个CV循环前后的LSV曲线）。

图6.（a）不同电压下的i-t曲线。（b）在1M KOH溶液中测试的AlF₃@PCNFs-3的原位拉曼光谱。（c）曲面重建示意图。

图7.（a）NFC和（b）AlF₃-NFC的初始结构模型以及（c）模型的相应火山曲线（按碳原子的顺序编号）。

图8.（a）ZABs的示意图；（b）AlF3@HPCNFs-3 ZAB和商用Pt/C+RuO₂ ZAB的开路电压曲线；（c）放电极化曲线和相应的功率密度曲线；（d）电流密度为10mA/cm²时的比容量曲线；（e）电流密度为5mA/cm²时的充电/放电循环曲线。（f-h）AlF₃@HPCNFs-3 ZAB不同时期的往返效率。

该工作以“In situ growth of surface-reconstructed aluminum fluoride nanoparticles on N, F codoped hierarchical porous carbon nanofibers as efficient ORR/OER bifunctional electrocatalysts for rechargeable zinc-air batteries”为题发表在《Journal of Colloid and Interface Science》（DOI:10.1016/j.jcis.2023.10.083）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.10.083