過渡金屬磷化物(TMPs)由于低廉的價(jià)格和優(yōu)異的電催化活性受到越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是替代貴金屬材料的理想材料。近年來，一維納米線/二維納米片復(fù)合材料的合成引起了人們的興趣，因?yàn)榛?D/1D 磷化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠增加活性位點(diǎn)的數(shù)量和加速載流子遷移率，表現(xiàn)出比任何單一成分更顯著的性能。
過渡金屬磷化物(TMPs)由于低廉的價(jià)格和優(yōu)異的電催化活性受到越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是替代貴金屬材料的理想材料。近年來，一維納米線/二維納米片復(fù)合材料的合成引起了人們的興趣，因?yàn)榛?D/1D 磷化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠增加活性位點(diǎn)的數(shù)量和加速載流子遷移率，表現(xiàn)出比任何單一成分更顯著的性能。然而由于二維和一維納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)制不同，大多數(shù)二維/一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)通常是采用多步驟方法下合成，或存在模板、封蓋劑的情況下形成。因此，在沒有模板輔助的情況下，開發(fā)一種簡(jiǎn)單和可控的合成策略來設(shè)計(jì)2D/1D異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。近日，湖南大學(xué)黃桂芳和黃維清教授（通訊作者）、碩士生畢浩浩和博士生李波（共同第一作者）提出了一種簡(jiǎn)單合成策略——基于原位過飽和觸發(fā)維度和相控生長(zhǎng)機(jī)制——設(shè)計(jì)制備了垂直排列的2D CoFeP 納米片/1D Fe-CoP 納米線(2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)原位制備合成的2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs 由垂直取向的2D納米片與大量的1D納米線構(gòu)成，提供了豐富的延伸邊緣位點(diǎn)和高度暴露的活性位點(diǎn)，而且良好的2D-1D界面和高度不連續(xù)空間開放式結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和氣泡的演化。由于這些優(yōu)異的特性，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)與FeP納米片和CoP納米線相比表現(xiàn)出顯著的HER和OER性能。此外在電池電壓為1.62 V時(shí)，該催化劑實(shí)現(xiàn)全解水電流密度10 mA cm-2。該工作為設(shè)計(jì)多功能和高活性的非貴金屬催化劑提供了一種簡(jiǎn)便以及可擴(kuò)展的策略。相關(guān)結(jié)果已在知名期刊Applied Physics Letters (DOI:10.1063/5.0041080)上以封面論文發(fā)表，題為“Supersaturation-triggered synthesis of 2D/1D phosphide heterostructures as multi-functional catalysts for water splitting”
圖1. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化劑制備過程的示意圖
2D CoFeP 納米片/1D Fe-CoP 納米線(2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs)主要制備過程如下：1. 通過水熱法制備前驅(qū)體：硝酸鈷(Co源)，硝酸鐵(Fe源)，尿素和氟化銨混合攪拌溶解。將混合溶液置入反應(yīng)釜中并在120°C的溫度下保持6h；2. 低溫磷化反應(yīng)生成2D/1D CoFePNSs@Fe-CoPNWs：將水熱反應(yīng)后的前驅(qū)體置入瓷舟內(nèi)并在氬氣氛圍下加熱并保持2h，待樣品冷卻至室溫，最終得到2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs。圖2. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化劑的微觀結(jié)構(gòu)表征
a)2D Co@Fe/1D Fe-doped Co氫氧化物的SEM圖像；b)2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的SEM圖像；c,d) Fe-CoP納米線不同放大倍數(shù)下的TEM圖像；e) 2D/1DCoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的TEM圖像；f)CoFeP納米片的HRTEM圖像以及SAED圖案；g)Fe-CoP納米線的HRTEM圖像以及SAED圖案。圖3. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化劑在堿性電解質(zhì)中HER的電化學(xué)表征
a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的極化曲線圖；b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的塔菲爾斜率圖；c)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的阻抗圖譜；d)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品在不同速率下的CV曲線圖；e)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的電流密度隨掃描速率的變化；f)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品在恒電位下的耐久性測(cè)試圖；g)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs與Fe/Co基催化劑的HER活性對(duì)比圖。圖4. 2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化劑在堿性電解質(zhì)中OER的電化學(xué)表征
a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的極化曲線圖；b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的塔菲爾斜率圖；c)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的阻抗圖譜；d)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品在不同速率下的CV曲線圖；e) CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的電流密度隨掃描速率的變化；f)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品在恒電位下的耐久性測(cè)試圖。圖5. CoFeP NSs@Fe-CoP NWs催化劑在堿性電解質(zhì)中的全水解的電化學(xué)表征
a)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品的極化曲線圖；b)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs樣品在恒電位下的耐久性測(cè)試圖。該研究首次通過過飽和觸發(fā)維度和相控生長(zhǎng)策略構(gòu)建2D/1D CoFeP NSs@Fe-CoP NWs異質(zhì)結(jié)構(gòu)，且此催化劑表現(xiàn)出優(yōu)越的HER,OER和全水解電催化性能。該合成策略能夠用于設(shè)計(jì)具有優(yōu)異的多功能電催化性能的2D/1D磷化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，也將為推進(jìn)能源相關(guān)應(yīng)用的多維納米結(jié)構(gòu)開辟另一種途徑。
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