過渡金屬磷化物(TMPs)由于低廉的價格和優(yōu)異的電催化活性受到越來越多的關(guān)注，被認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，因為基于2D/1D 磷化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠增加活性位點的數(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)由于低廉的價格和優(yōu)異的電催化活性受到越來越多的關(guān)注，被認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，因為基于2D/1D 磷化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠增加活性位點的數(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)的生長機制不同，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)一種簡單和可控的合成策略來設(shè)計2D/1D異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然是一個挑戰(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）提出了一種簡單合成策略——基于原位過飽和觸發(fā)維度和相控生長機制——設(shè)計制備了垂直排列的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和高度暴露的活性位點，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，該催化劑實現(xiàn)全解水電流密度10 mA cm-2。該工作為設(shè)計多功能和高活性的非貴金屬催化劑提供了一種簡便以及可擴展的策略。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試圖；g)CoFeP NSs@Fe-CoP NWs與Fe/Co基催化劑的HER活性對比圖。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試圖。該研究首次通過過飽和觸發(fā)維度和相控生長策略構(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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