DOI：10.1016/j.electacta.2020.13564
本文报告了新型交联、功能性多孔碳纳米片（CNSs）的合成。首先通过静电纺丝将聚乙烯吡咯烷酮/过渡金属乙酸酯/N-N-二甲基甲酰胺前驱体编织成网络。所得的前驱体网络在热解后转变为由交联的介孔/大孔CNS（即FeCo@NCNS）组成的三维（3D）分层多孔材料。表征结果表明，大量的超细FeCo@NC单元、N-C键、金属氮掺杂碳（M-N-C）物种和含氧官能团沿着FeCo@NCNS的表面分散，它们充当着氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的电催化活性位点。由于分层多孔结构和高密度活性位点的协同作用，最佳FeCo@NCNS对ORR的正起始电位（相对于可逆氢电极（vs.RHE）为0.98 V）和半波电位（相对于可逆氢电极为0.827 V）均高于Pt/C（相对于可逆氢电极为0.97 V和0.819 V）。同时，FeCo@NCNS（相对于可逆氢电极为1.597 V）在10 mA cm-2处的OER电位比RuO2（1.631）更负。此外，FeCo@NCNS的氧电极活性（∆E=E10，OER-E1/2，ORR）低至0.772 V，超过了最先进的Pt/C（ORR）-RuO2（OER）催化剂组合（∆E=0.812 V）。实验结果表明，FeCo@NCNS是用于ORR和OER的最佳非贵金属双功能电催化剂之一。
图1.所得对照材料的SEM图像（a1-e1）、TEM图像（a2-e2）和粒度分布图（a3-e3）。 在800℃下煅烧的不同对照材料的HRTEM图像（a4-e4）和晶格条纹（a5-e5）。 不同的材料：Fe3C@NPCF（a1，a2，a3，a4和a5），Fe7Co3@NCNS（b1，b2，b3，b4和b5），FeCo@NCNS（c1，c2，c3，c4和c5），Fe3Co7@NCNS（d1，d2，d3，d4和d5）和Co@NCNS（e1，e2，e3，e4和e5）。
图2.（a）FeCo@NCNS的HRTEM图像。（b）FeCo@NCNS的单个纳米粒子的HRTEM图像。（c）FeCo@NCNS的HAADF-STEM图像。（d）通过EDS用电子束沿选定的箭头方向扫描单个FeCo纳米粒子获得的组成线轮廓如图c所示：黑色（C），红色（O），绿色（N），蓝色（Fe）和浅蓝色（Co）。Fe3C@NPCF（e1，f1和g1）、Fe7Co3@NCNS（e2，f2和g2）、FeCo@NCNS（e3，f3和g3）、Fe3Co7@NCNS（e4，f4和g4）和Co@NCNS（e5，f5和g5）的XRD图谱（e）、氮气吸附-解吸等温线（f）和拉曼光谱（g）。
图3.Fe3C@NPCF（a1，b1和c1）、Fe7Co3@NCNS（a2，b2和c2）、FeCo@NCNS（a3，b3和c3）、Fe3Co7@NCNS（a4，b4和c4）和Co@NCNS（a5，b5和c5）对照样品的高分辨率C 1s（a）、N 1s（b）和Co 2p3/2（c）光谱。含量比较分别指Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS和Co@NCNS对照样品的C（d）、N（e）和Co（f）基物种。
图4.相对于RHE，在0.3和0.6 V之间测得的Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS、Co@NCNS和20 wt.% Pt/c催化剂在氧气饱和的0.1 M KOH中测得的的ORR极化LSV曲线（a）、Eonset直方图、E1/2和j0.4v vs.RHE的值（b）、Tafel曲线（c）以及电子转移数（d）。（e）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在氧气饱和的0.1 M KOH中测得的RRDE测量值（环电流和盘电流）和（f）对应的过氧化物百分比（实线）以及电子转移数。（g）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在含或不含甲醇的氧气饱和的0.1 M KOH溶液中的LSV曲线。（h）FeCo@NCNS和20 wt.% Pt/C在氧气饱和的0.1 M KOH电解液中5000个循环前后的LSV曲线。需要注意的是，所有对照样品的催化剂负载量均为458.6μg cm-2。
图5.在氧气饱和的0.1 M KOH溶液中进行ORR稳定性测试后的ORR后FeCo@NCNS催化剂的SEM（a）和TEM（b）图像。原始FeCo@NCNS（在ORR测试之前）和ORR后FeCo@NCNS的高分辨率O 1s（c）、N 1s（d）、Fe 2p3/2（e）和Co 2p3/2（f）光谱（在ORR测试之后）。
图6.（a）Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS、Co@NCNS、RuO2和20wt.% Pt/C催化剂的OER LSV极化曲线和（b）Tafel图。（c）相对于RHE，在1.34 V的EIS光谱和（d）电容电流随扫描速率的变化，该速率根据图S12中Fe3C@NPCF、Fe7Co3@NCNS、FeCo@NCNS、Fe3Co7@NCNS和Co@NCNS对照样品计算。所有对照样品的催化剂负载量均为458.6 µg cm-2。
图7.（a）相对于RHE，在+1.20和+1.90 V之间用于OER的FeCo@NCNS、RuO2和20 wt.% Pt/C的TOF值。（b）相对于RHE，在+1.20和+1.75 V之间，进行5000次循环前后，在氧气饱和的0.1 M KOH溶液中测得的FeCo@NCNS和RuO2的LSV曲线。在氧气饱和的0.1 M KOH溶液中进行OER稳定性测试后的OER后FeCo@NCNS的SEM（c）和TEM（d）图像。原始FeCo@NCNS（在OER测试之前）和OER后FeCo@NCNS（OER测试之后）催化剂的高分辨率O 1s（e）、N 1s（f）、Fe 2p3/2（g）和Co 2p3/2（h）光谱。所有对照样品的催化剂负载量均为458.6 µg cm-2。
