天津大学邓意达/陈亚楠团队Nano-Micro Lett.研究：热冲击法促新型纳米片自发成长，提升全水解效率

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严峻，开发可持续清洁能源成为科学研究的热点。水分解作为一种高效、清洁的能源转换技术，能够将水分子分解为氢气和氧气，为能源存储和转换提供了理想途径。然而，水分解反应包括氧的进化反应（OER）和氢的进化反应（HER），这两个反应的动力学缓慢，需要高效的电催化剂来降低反应过电位。传统上，贵金属如铂、铱等因其出色的催化活性而被广泛研究，但高昂的成本和稀缺性限制了它们的大规模应用。因此，开发非贵金属、低成本、高效的电催化剂成为当前研究的重点。

文章简介

2020年，天津大学邓意达、陈亚楠教授团队在《Nano-Micro Letters》上发表了题为“Thermal Shock-Activated Spontaneous Growing of Nanosheets for ，Overall Water Splitting”的论文。本研究提出了一种基于镍泡沫（NF）的纳米材料的快速、简便且低成本的合成方法，以应对能源转换与存储领域中对高效电催化剂的需求。针对传统水热合成方法存在的成本高、操作危险且不利于规模化生产的问题，本文采用焦耳加热结合水浸泡处理技术，成功合成了具有核壳异质结构的NF-C/CoS/NiOOH纳米材料。通过焦耳加热数秒并迅速冷却，实现了在NF上原位生成薄层碳包覆的CoS（NF-C/CoS）。随后，将NF-C/CoS进行水浸泡处理，自发形成了覆盖在其上的NiOOH纳米片，构建了核壳结构。文中提出了可能的形成机制：在焦耳加热的驱动下，配位复合物前体转化为C/CoS，同时NF表面的镍被激活形成亚稳态镍。亚稳态镍与水反应生成NiOOH，而CoS的存在促进了NiOOH的持续生长。这种合成技术不仅开辟了制造基于NF的纳米结构的新途径，而且所制备的NF-C/CoS/NiOOH展现出作为氧进化反应（OER）和氢进化反应（HER）电催化剂的巨大潜力，为能源转换与催化领域带来了新的发展机遇。

图文导读

     本研究通过焦耳加热和水浸泡处理技术，设计并制备了一种集 成的电催化剂NF-C/CoS/NiOOH，用于整体水分解反应。实验部分详细描述了从原材料的准备到NF-C/CoS/NiOOH的制备过程，包括使用焦耳加热将钴-硫脲配位复合物原位转化为掺杂碳包覆的CoS（NF-C/CoS），并通过水浸泡处理进一步诱导NiOOH纳米片的自发生长，形成了具有核壳结构的NF-C/CoS/NiOOH。

     图1展示了NF-C/CoS/NiOOH的合成策略和制备过程。

     通过焦耳加热技术，钴-硫脲配位复合物在镍泡沫上原位转化为掺杂碳包覆的CoS（NF-C/CoS），进而通过水浸泡处理，促使NiOOH纳米片自发生长，形成了具有核壳结构的NF-C/CoS/NiOOH。SEM图像c1、c2和c3分别展示了NF前驱体、NF-C/CoS和NF-C/CoS/NiOOH的微观结构。

    图2利用透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像揭示了NF-C/CoS和NF-C/CoS/NiOOH的微观结构。

    HRTEM图像和选择区域电子衍射（SAED）模式证明了CoS的晶体相和NiOOH的低晶性相。元素映射进一步展示了CoS纳米颗粒和C/NiOOH层状纳米片的核壳异质结构。

      图3通过拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析了样品的化学组成和价态。

     XPS详细谱图显示了N-、S-、O掺杂碳的存在，以及CoS和NiOOH的化学状态，证明了NF-C/CoS/NiOOH中Co和Ni的氧化态。

     图4为NF-C/CoS/NiOOH纳米片生长机制的示意图，阐释了焦耳加热和钴-硫脲配位复合物如何激活NF表面镍，形成亚稳态镍，并与水反应生成NiOOH纳米片，以及CoS表面硫与水的氧键合促进了NiOOH纳米片的持续生长。

     图5展示了NF-C/CoS/NiOOH的电化学性能测试结果。

   极化曲线、Tafel斜率和双电层电容（Cdl）测试表明，NF-C/CoS/NiOOH在OER和HER中都展现出了优异的电催化活性和稳定性。这些结果证明了NF-C/CoS/NiOOH在整体水分解中的高效性能。

总结与展望

     本文成功报道了一种基于焦耳加热和水浸泡处理的快速、简便方法，用于合成以镍泡沫(NF)为基底的自支撑电催化剂，用于全水分解。钴-硫脲配位复合物在NF上通过焦耳加热转化为掺杂碳包覆的CoS，其中碳为氮、氧、硫共掺杂，同时少量镍掺杂进入CoS。特别值得注意的是，NF表面的镍在焦耳加热和钴-硫脲配位复合物的激活下，在水诱导的CoS作用下自发生长出NiOOH纳米片，从而制备出具有层级纳米片结构和核壳异质结构的NF-C/CoS/NiOOH。我们推测，纳米片结构生成的驱动力是亚稳态镍，而CoS能够持续诱导NiOOH纳米片的生长。作为自支撑电催化剂，NF-C/CoS/NiOOH展现出了优异的OER、HER以及全水分解性能。

本研究不仅提供了一种合成基于NF的纳米材料的新途径，而且为催化和能源领域的发展指明了新的方向，与传统合成方法相比，本方法具有明显的优势。NF-C/CoS/NiOOH的制备成功，展示了在电催化材料设计上的创新思维，为开发高效、低成本的电催化剂提供了重要的参考。未来，我们期待这一合成策略能够进一步优化，以提高材料的性能和稳定性，同时也希望能够探索更多的材料组合和结构设计，以满足不断增长的能源和环境需求。此外，本研究的方法和发现还有望激发更多关于新型电催化剂的研究，推动清洁能源技术的进一步发展。

文章链接

Han Wu, Qi Lu, Jinfeng Zhang, Jiajun Wang, Xiaopeng Han, Naiqin Zhao, Wenbin Hu, Jiajun Li, Yanan Chen & Yida Deng. Thermal Shock-Activated Spontaneous Growing of Nanosheets for Overall Water Splitting. Nano-Micro Lett. 12, 162 (2020). https://doi.org/10.1007/s40820-020-00505-2