NiCo合金封装在硫/氮共掺杂碳纳米纤维中，用于直接甲醇燃料电池

摘要：《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊发表名为“NiCo Alloy Encapsulated in Sulfur and Nitrogen Codoped Carbon Nanofiber as Efficient Oxygen Red

1成果简介

直接甲醇燃料电池（DMFC）的高效运行迫切需要设计和开发高活性、高稳定性的氧还原反应（ORR）催化剂。本文，北京科技大学李从举教授团队在

《ACS Sustainable Chem. Eng.》期刊发表名为“NiCo Alloy Encapsulated in Sulfur and Nitrogen Codoped Carbon Nanofiber as Efficient Oxygen Reduction Electrocatalysts for Direct Methanol Fuel Cells”的论文，研究将直接静电纺丝技术与热解工艺相结合，合成嵌入硫（S）和氮（N）共掺杂一维（1D）碳纳米纤维中的 NiCo 合金纳米颗粒。

使用NiCo2-A@S-NCNFs 改性的DMFC的峰值功率密度达到 29.70 mW cm–2，几乎与基于 Pt/C的 DMFC（29.57mW cm–2）相当。NiCo2-A@S-NCNFs ORR 活性的提高可归因于 S、N 共掺碳纳米纤维带来的优势以及与 NiCo 合金的协同作用。这种组合不仅提供了更多的活性位点，而且有利于电子和质量的快速传输。此外，NiCo2-A@S-NCNFs 催化剂还具有显著的耐久性。一维纳米纤维互连网络能有效固定镍钴合金纳米颗粒，防止其团聚，形成稳定的导电结构和高效的电子传输通道，从而提高了 NiCo2-A@S-NCNFs 的耐久性。这项研究为设计异原子掺杂碳材料以提高燃料电池中非贵金属催化剂的 ORR 性能提供了一种有效的方法。

2图文导读

图1. Schematic diagram of the formation of NiCo2-A@S-NCNFs.

图2. (a) SEM image of ZIF-8, (b) SEM images of S-NiCo2@PAN/ZIF-8, (c) SEM image, (d) TEM image, (d) HRTEM image, (e) HRTEM image, (f) SAED pattern, and (g) elemental mapping image of NiCo2-A@S-NCNFs.

图3. (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c) N2 adsorption–desorption isotherms, and (d) pore size distribution of the NiCo2-A@S-NCNFs.

图4. High-resolution XPS spectra of samples: (a) Co 2p, (b) Ni 2p, (c) S 2p, and (d) N 1s.

图5. Electrocatalytic performance in 0.1 M KOH, (a) CV curve (dashed line measured in saturated N2, solid line measured in saturated O2), (b) LSV curve (1600 rpm, sweep speed 10 mV s–1), (c) Tafel slope, (d) onset potential and half-wave potential value summary diagram, (e) RDE polarization curves at 400–2500 rpm rotating speed of NiCo2-A@S-NCNFs catalyst, and (f) corresponding Koutecky–Levich curves. Electrocatalytic performance at 0.1 M KOH + 1 M CH3OH, (g) EIS curves, and (h, i) LSV curves of NiCo2-A@S-NCNFs and Pt/C.

图6. (a) Schematic diagram of DMFC. Polarization plots of cell voltage and power density versus current density for DMFCs with (b) 20 wt % Pt/C || NiCo2-A@S-NCNFs (d) 20 wt % Pt/C || 20 wt % Pt/C at 10 mL min–1 anode liquid flow rate and different operating temperatures; polarization plots of cell voltage and power density versus current density for DMFCs with (c) 20 wt % Pt/C || NiCo2-A@S-NCNFs (e) 20 wt % Pt/C || 20 wt % Pt/C at an operating temperature of 80 °C and different anode liquid flow rates. (f) Comparison of DMFC peak power density.

图7. Durability tests of DMFC cathodes using Pt/C and NiCo2-A@S-NCNFs as cathode catalysts on (a) the cell voltage and (b) the power density at a current density of 0.1 A.

3小结

综上所述，本研究通过简单的电纺丝和热解工艺，成功合成了一种由 S、N 共掺的碳纳米纤维骨架和镍钴合金纳米颗粒组成的 ORR 电催化剂。在半电池测试中，NiCo2-A@S-NCNFs 表现出较高的 ORR 活性和出色的耐甲醇性。此外，使用 NiCo2-A@S-NCNFs 改性的 DMFC 显示出较高的开路电压（0.815 V）和功率密度（29.70 mW cm-2）。NiCo2-A@S-NCNFs 卓越的 ORR 电催化性能可归因于 NiCo 合金纳米颗粒与 S、N 共掺的一维碳纤维网络之间的协同效应。这不仅增强了更多结构缺陷的形成，提供了更多的活性位点，还实现了快速的电荷传输和反应物扩散。此外，包覆碳纳米纤维的镍钴合金纳米颗粒可以作为催化活性位点持续稳定地发挥作用。因此，NiCo2-A@S-NCNFs 修饰的 DMFC 具有出色的耐久性。本研究为制备潜在的非贵金属基 ORR 催化剂提供了一种前景广阔的直接方法，对加速直接甲醇燃料电池的商业化具有重要意义。

文献：