单个FeNx位点和FeFe3C纳米颗粒同时修饰明胶衍生1D碳纳米纤维网

　　北京化工大学窦美玲&王峰Chem. Eur. J.：同时修饰单个Fe-Nx位点和Fe/Fe3C纳米颗粒的明胶衍生1-D碳纳米纤维网用作ORR电催化剂
　　DOI: 10.1002/chem.202100996
　　研制出高性能的非贵金属氧还原反应（ORR）电催化剂是非常关键的。在本文中，研究者报告了一种可扩展且具有成本效益的策略，通过Fe（III）复合物辅助静电纺丝制备出明胶纳米纤维，随后进行预氧化和碳化构建了一维（1-D）碳纳米纤维结构，同时修饰单个Fe-Nx位点和高度分散的Fe/Fe3C纳米颗粒。结果表明，Fe（III）配合物的存在使一维明胶纳米纤维在预氧化过程中得以很好地保留。由于独特的一维纳米纤维结构以及Fe/Fe3C和Fe-Nx位点的协同作用，所得电催化剂对ORR具有很高的活性，半波电位为0.885V（优于商用Pt/C），在碱性电解液中具有良好的电化学稳定性。同样，它在锌空气电池中也显示出较高的功率密度（144.7mW/cm2）和出色的稳定性。这项工作为设计和合成可有效促进ORR催化的1-D碳电催化剂开辟了一条新的途径。
　　图1.（a）明胶/Fe，（b）明胶/Fe-270和（c）明胶-270的SEM图像。（d）空气中K3[Fe（CN）6]、明胶和明胶/Fe的TG-DTG曲线。（e）在Ar气氛下，明胶-270和明胶/Fe-270的TG-DTG曲线。（f）明胶、明胶/Fe以及在不同温度下制备的那些预氧化样品的FTIR光谱。（g）明胶/Fe在空气气氛下的TG-FTIR光谱。（h）预氧化过程中Fe（III）离子辅助明胶纳米纤维内主要反应的拟议机理。
　　图2.Fe3C/Fe，N-CNFs的（a，b）SEM和（c）TEM图像。（d）Fe3C/Fe，N-CNFs的TEM以及C、N和Fe的元素映射图。（e）Fe3C/Fe，N-CNFs的TEM图像。所选区域（插图）的HR-TEM图像。（f）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe3C/Fe，N-C的XRD图谱。
　　图3.（a）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe3C/Fe，N-C的氮气吸附-解吸等温线，（b）孔径分布。（c）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe3C/Fe，N-C的比表面积（SSA）和（d）孔体积。
　　图4.（a）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe3C/Fe，N-C的高分辨率N1s光谱。（b）根据Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe3C/Fe，N-C的N1s拟合结果，得出五种结构氮物种的原子百分比。（c）Fe3C/Fe，N-CNFs的高分辨率Fe2p光谱。（d）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe箔的Fe K-edge XANES光谱。（e）Fe3C/Fe，N-CNFs和Fe箔的傅里叶变换EXAFS光谱。（f）Fe3C/Fe，N-CNFs的57Fe Mössbauer光谱。
　　图5.（a）在O2饱和的0.1M KOH中，当扫描速率为5mV/s，转速为1600rpm时，Fe3C/Fe，N-CNFs，Fe3C/Fe，N-C和市售Pt/C的LSV曲线。（b）上述样本的E1/2和Jk。（c）这些电催化剂的Tafel图，（d）电子转移数和HO2-收率。（e）在N2饱和的0.1M KOH（扫描速率：100mV/s）中，Fe3C/Fe，N-CNFs和Pt/C在0.6-1.0V之间进行3000个电位扫描前后的LSV曲线。（f）在O2饱和的0.1M KOH中添加1mL甲醇后，Fe3C/Fe，N-CNFs和Pt/C在0.8V下于300s时的计时安培响应（转速：1600rpm）。
　　图6.（a）锌空气电池的示意图。（b）Fe3C/Fe，N-CNFs和Pt/C基锌-空气电池的极化和功率密度曲线（扫描速率：5mV/s）。（c）从低电流密度到高电流密度的恒电流放电曲线。（d）在5mA/cm2的放电电流密度下，Fe3C/Fe，N-CNFs和Pt/C的恒电流放电曲线。（e）在5mA/cm2的电流密度下，Fe3C/Fe，N-CNFs基Zn-空气电池的放电稳定性。（f）在20mA/cm2的放电电流密度下，配备Fe3C/Fe，N-CNFs催化剂的锌空气电池的比容量。