湖南大学Applied Physics Letters封面：原位过饱和触发维度和相控生长机制助力2D/1D异质结全解水

【引言】

过渡金属磷化物(TMPs)由于低廉的价格和优异的电催化活性受到越来越多的关注，被认为是替代贵金属材料的理想材料。近年来，一维纳米线/二维纳米片复合材料的合成引起了人们的兴趣，因为基于2D/1D 磷化物的异质结构能够增加活性位点的数量和加速载流子迁移率，表现出比任何单一成分更显著的性能。然而由于二维和一维纳米结构的生长机制不同，大多数二维/一维异质结构通常是采用多步骤方法下合成，或存在模板、封盖剂的情况下形成。因此，在没有模板辅助的情况下，开发一种简单和可控的合成策略来设计2D/1D异质结构仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，湖南大学黄桂芳和黄维清教授（通讯作者）、硕士生毕浩浩和博士生李波（共同第一作者）提出了一种简单合成策略——基于原位过饱和触发维度和相控生长机制——设计制备了垂直排列的2D CoFeP 纳米片/1D Fe-CoP 纳米线(2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs)异质结构。研究人员发现原位制备合成的2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs 由垂直取向的2D纳米片与大量的1D纳米线构成，提供了丰富的延伸边缘位点和高度暴露的活性位点，而且良好的2D-1D界面和高度不连续空间开放式结构能够促进电荷转移和气泡的演化。由于这些优异的特性，该异质结构与FeP纳米片和CoP纳米线相比表现出显著的HER和OER性能。此外在电池电压为1.62 V时，该催化剂实现全解水电流密度10 mA cm^-2。该工作为设计多功能和高活性的非贵金属催化剂提供了一种简便以及可扩展的策略。相关结果已在知名期刊Applied Physics Letters (DOI:10.1063/5.0041080)上以封面论文发表，题为“Supersaturation-triggered synthesis of 2D/1D phosphide heterostructures as multi-functional catalysts for water splitting”

【图文导读】

图1. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化剂制备过程的示意图

2D CoFeP 纳米片/1D Fe-CoP 纳米线(2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs)主要制备过程如下：

1. 通过水热法制备前驱体：硝酸钴(Co源)，硝酸铁(Fe源)，尿素和氟化铵混合搅拌溶解。将混合溶液置入反应釜中并在120°C的温度下保持6h。

2. 低温磷化反应生成2D/1D CoFePNSs@Fe-CoPNWs：将水热反应后的前驱体置入瓷舟内并在氩气氛围下加热并保持2h，待样品冷却至室温，最终得到2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs。

图2. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化剂的微观结构表征

a)2D Co@Fe/1D Fe-doped Co氢氧化物的SEM图像；

b)2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的SEM图像；

c,d) Fe-CoP纳米线不同放大倍数下的TEM图像；

e) 2D/1DCoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的TEM图像；

f)CoFeP纳米片的HRTEM图像以及SAED图案；

g)Fe-CoP纳米线的HRTEM图像以及SAED图案。

图3. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化剂在碱性电解质中HER的电化学表征

a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的极化曲线图；

b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的塔菲尔斜率图；

c)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的阻抗图谱；

d)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品在不同速率下的CV曲线图；

e)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的电流密度随扫描速率的变化；

f)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品在恒电位下的耐久性测试图；

g)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs与Fe/Co基催化剂的HER活性对比图。

图4. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化剂在碱性电解质中OER的电化学表征

a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的极化曲线图；

b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的塔菲尔斜率图；

c)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的阻抗图谱；

d)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品在不同速率下的CV曲线图；

e) CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的电流密度随扫描速率的变化；

f)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品在恒电位下的耐久性测试图。

图5. CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化剂在碱性电解质中的全水解的电化学表征

a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品的极化曲线图；

b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs样品在恒电位下的耐久性测试图。

【小结】

该研究首次通过过饱和触发维度和相控生长策略构建2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs异质结构，且此催化剂表现出优越的HER,OER和全水解电催化性能。该合成策略能够用于设计具有优异的多功能电催化性能的2D/1D磷化物异质结构催化剂，也将为推进能源相关应用的多维纳米结构开辟另一种途径。

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