Advances in Nanofiber-based Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction

doi:10.7503/cjcu20220770

Abstract

Abstract:

The excessive usage of fossil fuels is accompanied by the environmental pollution problems. Positively explore and develop green and sustainable energy conversion and storage technologies is of great significance to alleviate the environmental problems. Proton exchange membrane fuel cells（PEMFC） and metal air battery（MAB） stand out among many energy technologies. The oxygen reduction reaction（ORR）， as critical part of PEMFC and MAB， seriously restrict the widespread use of PEMFC and MAB due to the multistep proton-electron coupling process and high energy barrier. The advantages of fiber structure， including high specific surface area， adjustable geometric structure， simple and convenient preparation， make it a new emerging architecture for the fabrication of electrocatalyst toward oxygen reduction reaction. In this review， the preparation of nanofibers and adjustable metal site in nanofiber-based electrocatalysts are summerized， and the latest progresses of nanofiber-based electrocatalyst toward ORR are discussed. Moreover， the structure-activity relationship of nanofiber-based electrocatalysts toward ORR is revealed. Finally， the challenges and opportunities of nanofiber-based electrocatalyst for ORR electro- catalysis are discussed.

Key words: Carbon nanofiber, Electrocatalysis, Oxygen reduction reaction, Metal site

CLC Number:

O611

TrendMD:

LI Xuan, QI Shuai, ZHOU Weiliang, LI Xiaojie, JING Lingyan, FENG Chao, JIANG Xingxing, YANG Hengpan, HU Qi, HE Chuanxin. Advances in Nanofiber-based Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220770.

Figures/Tables 15

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Type	Catalyst	Characteristics
Metal nanoparticles encapsulated carbon nanofiber hybrids	Single metal nanoparticles encapsulatedcarbon nanofibers hybrids	Only one metal species in hybrids， and the metal exist as nanoparticles
Metal nanoparticles encapsulated carbon nanofiber hybrids	Multi⁃metal nanoparticles encapsulated carbon nanofibers hybrids	The number of metal species is more than two， and the metal species exist as nanoparticles
Metal single atoms encapsulated carbon nanofiber hybrids	Single metal atoms encapsulated carbonnanofiber hybrids	Only one metal species in hybrid system， and the coordination of metal atom is adjustable
	Dual⁃metal atoms encapsulated carbon nanofiber hybrids	The number of metal species is more than two， and the configuration of metal species is metal single atoms
	Metal cluster encapsulated nanofiber hybrids	Metal species size is less than 1 nm
Heteroatom⁃doped carbon nanofiber hybrids		In hybrid system， no metal is included. The active sites are nonmetal elements， including N， O， P， F， S and Se.

Type	Catalyst	Characteristics
Metal nanoparticles encapsulated carbon nanofiber hybrids	Single metal nanoparticles encapsulatedcarbon nanofibers hybrids	Only one metal species in hybrids， and the metal exist as nanoparticles
Metal nanoparticles encapsulated carbon nanofiber hybrids	Multi⁃metal nanoparticles encapsulated carbon nanofibers hybrids	The number of metal species is more than two， and the metal species exist as nanoparticles
Metal single atoms encapsulated carbon nanofiber hybrids	Single metal atoms encapsulated carbonnanofiber hybrids	Only one metal species in hybrid system， and the coordination of metal atom is adjustable
	Dual⁃metal atoms encapsulated carbon nanofiber hybrids	The number of metal species is more than two， and the configuration of metal species is metal single atoms
	Metal cluster encapsulated nanofiber hybrids	Metal species size is less than 1 nm
Heteroatom⁃doped carbon nanofiber hybrids		In hybrid system， no metal is included. The active sites are nonmetal elements， including N， O， P， F， S and Se.

Catalyst	Electrolyte	E_onset	E_1/2/V	n	Ref.
Thorny Ag NFs	0.1 mol/L KOH	1.041	0.848	3.91	［94］
CNT/Ag₁/CNF	0.1 mol/L KOH	0.874	0.724	3.87	［95］
PAN/Ga⁃75 nanofibers	0.1 mol/L KOH	0.84	0.71	3.1	［96］
Ni/CNF⁃750	0.1 mol/L KOH	0.93	0.72	3.7	［97］
Pt/CNT	0.1 mol/L KOH	0.958	0.885	—	［98］
Pd/PNCNF	0.1 mol/L KOH	0.92	—	3.55	［99］
Co⁃NGT	0.1 mol/L KOH	0.964	0.837	3.9	［72］
Co⁃N⁃C/CNF	0.1 mol/L KOH	—	0.859	3.6	［73］
CoO _x ⁃CoP/N⁃CNTs	0.1 mol/L KOH	0.96	0.81	3.9	［100］
CoO _x @CoN _y /NCNF	0.1 mol/L KOH	—	0.78	3.84	［101］
Co₃O_4-_x bubbles nanofiber	0.1 mol/L KOH	—	0.81	3.9	［80］
Fe⁃Fe₃C/Fe₃N@NCNFs	0.1 mol/LKOH	0.998	0.85	3.8	［92］
Fe⁃N⁃CNP⁃CNF	0.1 mol/L KOH	0.86	0.77	3.65	［87］

Catalyst	Electrolyte	E_onset	E_1/2/V	n	Ref.
Thorny Ag NFs	0.1 mol/L KOH	1.041	0.848	3.91	［94］
CNT/Ag₁/CNF	0.1 mol/L KOH	0.874	0.724	3.87	［95］
PAN/Ga⁃75 nanofibers	0.1 mol/L KOH	0.84	0.71	3.1	［96］
Ni/CNF⁃750	0.1 mol/L KOH	0.93	0.72	3.7	［97］
Pt/CNT	0.1 mol/L KOH	0.958	0.885	—	［98］
Pd/PNCNF	0.1 mol/L KOH	0.92	—	3.55	［99］
Co⁃NGT	0.1 mol/L KOH	0.964	0.837	3.9	［72］
Co⁃N⁃C/CNF	0.1 mol/L KOH	—	0.859	3.6	［73］
CoO _x ⁃CoP/N⁃CNTs	0.1 mol/L KOH	0.96	0.81	3.9	［100］
CoO _x @CoN _y /NCNF	0.1 mol/L KOH	—	0.78	3.84	［101］
Co₃O_4-_x bubbles nanofiber	0.1 mol/L KOH	—	0.81	3.9	［80］
Fe⁃Fe₃C/Fe₃N@NCNFs	0.1 mol/LKOH	0.998	0.85	3.8	［92］
Fe⁃N⁃CNP⁃CNF	0.1 mol/L KOH	0.86	0.77	3.65	［87］

Catalyst	Electrolyte	E_onset	E_1/2/V	n	Ref.
Co⁃N/CNFs	0.1 mol/L HClO₄	0.82	0.78	3.4	［133］
Co@MCM	0.1 mol/L KOH	0.95	0.86	3.7	［137］
Fe_SA/B， N⁃CNT	0.1 mol/L KOH	—	0.933	3.95	［150］
S， N⁃Fe/N/C⁃CNT	0.1 mol/L KOH	—	0.85	4.0	［151］
CNT/PC	0.1 mol/L KOH	—	0.88	4.0	［152］
Fe⁃N⁃CNTAs⁃5⁃900	0.1 mol/L KOH	0.97	0.88	ca. 4.0	［153］
p⁃Fe⁃N⁃CNF	0.1 mol/L HClO₄	0.85	0.74	3.2	［154］
Co SA@NCF/CNF	0.1 mol/L KOH	—	0.88	ca.4.0	［136］
Fe⁃N/CNT⁃2	0.1 mol/L KOH	0.96	0.938	3.98	［155］
Fe/N⁃CNRs	0.1 mol/L KOH	1.10	0.90	ca.4.0	［156］
p⁃FePc/CNTs	0.1 mol/L KOH	—	0.88	3.9	［157］
SAFe⁃SWCNT	0.1 mol/L KOH	—	0.93	ca.4.0	［158］
f⁃FeCo⁃CNT	0.1 mol/L KOH	0.96	0.87	ca.4.0	［159］
Fe⁃N⁃C⁃900	0.1 mol/L KOH	1.006	0.9	ca.4.0	［160］
Co₃Fe₇@Co/Fe⁃SAC	0.1 mol/L KOH	—	0.841	3.8	［161］
Fe， Co SAs⁃PNCF	0.1 mol/L KOH	1.04	0.93	4.01	［143］
Pt₁Co₁₀₀/N⁃GCNT	0.1 mol/L HClO₄	—	0.85	ca.4.0	［162］
（Fe，Co）/CNT	0.1 mol/L KOH	1.15	0.954	ca.4.0	［149］
Pt₃Co@Pt⁃SAC	0.1 mol/L HClO₄	0.86	0.943	3.98	［163］