DOI: 10.1016/j.cej.2023.142498

合理控制纳米材料中Co-Nx活性位点的分散对于构建高效的燃料电池用氧还原反应（ORR）电催化剂具有重要意义。在此，本文报道了一种由沸石咪唑酯骨架（ZIFs）和聚丙烯腈（PAN）可扩展合成中空珠状纳米笼负载碳纳米纤维的新策略，其腔壁中具有可接近的Co-Nx位点（PAN-Co-ZIF-8-C-A和PAN-Co/ZIF-8-C-A）。值得注意的是，Co-Nx位点修饰样品表现出优异的ORR活性，这使其成为微生物燃料电池（MFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）的有前途的ORR催化剂。因此，用PAN-Co-ZIF-8-C-A和PAN-Co/ZIF-8-C-A修饰的MFC的最大功率密度达到869.6和888.3mW/cm²，分别比Pt/C高出1.17和1.19倍。此外，PAN-Co/ZIF-8-C-A修饰DMFC表现出与Pt/C电极（25.63mW/cm²）相近的功率密度，为23.27mW/cm²。这种值得称赞的催化性能主要归因于1D分层结构、高导电性和可及的Co-Nx活性位点的协同作用。这种简单有效的优化策略有望为在燃料电池中暴露一维（1D）纳米纤维和ZIFs衍生氧催化剂的催化中心开辟一条新的途径。

图1.PAN-ZIF-8-C、PAN-Co-ZIF-8-C-A和PAN-Co/ZIF-8-C-A的合成示意图。

图2.（a,b）具有0.8g ZIF的PAN-Co-ZIF-8和PAN-Co-ZIF-8-C-A的SEM图像；（c）PAN-Co-ZIF-8-C-A膜电阻的展示；（d,e）PAN-Co-ZIF-8-C-A的TEM，（f）HRTEM图像，（g）SAED图案，和（h）相应的元素映射图像；（i,j）具有0.8g ZIF的PAN-Co/ZIF-8和PAN-Co/ZIF-8-C-A的SEM图像；（k）PAN-Co/ZIF-8-C-A的膜电阻和柔性展示；（l,m）PAN-Co/ZIF-8-C-A的TEM、（n）HRTEM图像、（o）SAED图案和（p）相应的元素映射图像；（q,r）PAN-Co/ZIF-8-C-A在不同放大倍率下的HAADF-STEM图像，（s）像差校正的放大边缘图像（单个Co原子用红圈突出显示），以及（t）低放大倍率下的EDS元素图。（关于本图例中颜色参考的解释，读者可参考本文的网络版。）

图3.（a）制备样品的FTIR光谱，（b）XRD图谱，（c）拉曼光谱；（d）PAN-ZIF在氩气气氛下的TG曲线；（e）氮气吸附-解吸等温线和相应的（f）孔径分布曲线；（g）XPS全扫描光谱；（h）Co2p和（i）N1s的高分辨率XPS光谱。

图4.（a）在0.1M KOH中于10mV/s扫描速率下的CV曲线；（b）在1600rpm转速下的LSV曲线；（c）性能参数比较；（d）Tafel图；（e）不同转速下的RDE极化曲线，插图为PAN-Co/ZIF-8-C-A的Koutecky-Levich曲线；（f）在0.7V下的Koutecky-Levich曲线；（g）电化学双层电容；（h,i）甲醇耐受性和2,2-联吡啶毒性试验。

图5.（a）循环伏安曲线；（b）奈奎斯特图；（c）总体极化和功率密度曲线；（d,e）阴极和阳极极化曲线；（f）COD去除率和库仑效率；（g）电池电压输出曲线；（h）由MFC串联供电的LED和数字仪表的数字图像。

图6.（a）DMFC示意图；甲醇流速为10mL/min时，（b）Pt/C、（c）PAN-ZIF-8-C、（d）PAN-Co-ZIF-8-C-A和（e）PAN-Co/ZIF-8-C-A电极的电池电压和相应的功率密度极化图；（f）峰值功率密度比较。