Co1-xS-MnS@CNTs/CNFs的制备及其氧还原电催化性能

氧还原反应是燃料电池中重要的阴极反应,但由于动力学迟缓等问题导致其效率低。碳基材料具有导电性高、稳定性好、比表面积大等优点,常被应用于电催化氧还原反应。然而其在电催化氧还原反应中效率较低,对碳基材料进行Co、Mn掺杂有望提高其氧还原效率。本文采用静电纺丝技术制备出含有Co,Mn双金属的碳纳米纤维,经热解和硫化后碳纳米纤维上形成许多包裹Co_1-xS和MnS纳米颗粒的碳纳米管（记为Co_1-xS-MnS@CNTs/CNFs）,垂直生长在碳纳米纤维表面。通过X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、X射线光电子能谱对Co_1-xS-MnS@CNTs/CNFs的形貌、结构和组成进行表征,发现仅在Co_1-xS和MnS同时存在的情况下碳纳米纤维表面才能生长碳纳米管。小颗粒的MnS为碳纳米管的生成提供成核位点,大颗粒的Co_1-xS促进碳纳米管生长,最终形成Co_1-xS-MnS@CNTs/CNFs。碳纳米管的形成不仅在金属颗粒表面形成一道屏障,防止其聚集、溶解,而且提高了碳纳米纤维的导电性,使其电催化性能及稳定性得到很大提升。电催化测试证明,Co_1-xS-MnS@CNTs/CNFs相较于不含金属的碳纳米纤维（CNFs）及含单金属的硫化锰碳纳米纤维（MnS/CNFs）或硫化钴碳纳米纤维（Co_1-xS/CNFs）具有更优异的电催化氧还原（ORR）性能,且在氧还原反应过程中表现出高效的四电子转移。其甲醇耐受性及长期稳定性显著优于商业Pt/C电催化剂。