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湖南大学张明教授：线团状高容量SIB电极: nanomicrolett 2020-3-20 22:41; Three – Dimensional Self – assembled Hairball – Like VS 4 as High – Capacity Anodes for Sodium-Ion Batteries Shuangshuang Ding, Bingxin Zhou, Changmiao Chen, Zhao Huang, Pengchao Li, Shuangyin Wang, Guozhong Cao, Ming Zhang* Nano-Micro Lett.(2020)12:39 https://doi.org/10.1007/s40820-020-0377-7 本文亮点 1 通过一步水热法构建了由螺旋纳米线组成的毛线团状VS 4 。 2 制备的毛线团状VS 4 在室温环境中对于钠离子的储存表现出高容量和长周期稳定性的特征，并且可以承受剧烈的温度变化。 3 非原位表征和电化学动力学分析的数据表明VS 4 的储钠机制随循环次数的增加而变化。研究背景钠离子电池由于具有与锂离子电池相似的理化性质且资源丰富，成为目前有望取代锂离子电池的新一代储能器件。然而，钠离子的半径比锂离子大，大的离子半径更难以在电极材料之间反复的嵌入和脱出，从而导致电极材料结构破坏严重，倍率性能差。因此，开发能够适应钠离子快速、稳定地插入/提取的活性材料可能是促进钠离子电池发展的关键。内容简介湖南大学张明教授课题组首次采用简单的一步水热法制备了由螺旋纳米线组成的毛线团状VS 4 ，揭示了其形态演化机理。所得的毛线团状VS 4 作为钠离子负极材料时展示出优异的可逆容量，其无论在室温还是0℃时均具有出色的电化学性能，这主要归功于其独特的结构和储钠机理。在此基础上，研究者利用非原位表征、循环伏安法和电化学动力学分析的方法探究该材料的储钠机理。结果表明，VS 4 的储钠机制随循环次数的增加而变化。这项工作可为在电池、半导体器件和催化剂领域合成和应用的富硫化合物提供基础。图文导读 I VS 4 的形貌结构表征首先将一定量的钒酸钠和硫代乙酰胺通过磁力搅拌溶解在去离子水中，再通过简单的一步水热法得到纯的VS 4 ，并且通过改变反应时间优化其形貌，最终得到毛线团状VS 4 。如图1所示，制备的VS4的微球由平均直径约为150 nm的螺旋纳米线组装而成，其直径约1μm。HRTEM图通过晶格证实了生成的是VS 4 。元素分布图展示了V、S元素沿VS 4 微球均匀分布。这种独特的毛线团状的结构可以提供丰富的活性位点，同时有效的缩短离子的扩散路径，有利于获得优异的电化学性能。图1毛线团状VS 4 的形态特征。(a-c)SEM图；(d，e)VS 4 的TEM元素分析图，清楚地表明V、S元素沿VS 4 纳米球均匀分布；(f，g)VS 4 的TEM和HRTEM图像。 II VS 4 的电化学性能表征图2说明VS 4 作为钠离子电池的负极材料时展示优异的电化学性能。该材料在1 A/g电流密度下的比容量可达660 mAh/g，即使在20 A/g高的电流密度下比容量仍然保持在101 mAh/g，而且该材料经过1000次循环后其库伦效率可保持在99.9 %。另外，在测试温度为零度、电流密度为1 A/g时该材料的比容量仍可达591 mAh/g。值得注意的是循环曲线表现出先降后升的趋势，这主要归因于VS 4 独特的储钠机理。图2 毛线团状VS 4 的储钠性能：(a)CV曲线；(b)室温下的循环性能曲线；(c)室温下的倍率性能曲线；(d)充放电曲线；(e)低温下的循环性能曲线；(f)低温下的倍率性能曲线；(g)大电流密度下的循环性能曲线。 III VS 4 的储钠机理的研究图3，4说明VS 4 的储钠机制随循环次数的增加而变化。VS 4 电极储存Na + 的机制由三步分离机制构成：首先，在最初的十个循环中VS 4 、Na 2 S和V的转化是部分可逆，所以使得比容量减小；第二，随后容量的增加可以归因于Na 2 S和S之间可逆的转化反应的增加用以存储Na + ；最后，稳定阶段可以通过Na 2 S和S之间的可逆转化反应来描述，这被认为是Na-S电池的主要反应机理。另外，电化学动力学分析的结果表明制备的VS 4 在100个循环后具有较高的Na + 储存能力，这可归因于此时的电极拥有较低的Rct和Warburg因子，以及高的离子电导率。图3VS 4 电极在第二个循环中的Na + 存储机制：(a)CV曲线上不同放电和充电状态取点以及(b)相对应的非原位XRD图。图4 (a)VS 4 电极材料经历不同循环次数后的非原位XRD图；(b，c)VS 4 电极材料经过100个循环后在完全充电状态下(b)V 2p和(c)S 2p的高分辨XPS光谱；(d-f)VS 4 电极材料经过100个循环后在完全充电状态下的TEM和SEAD图；(g)不同循环次数后的Nyquist图;(h)不同循环次数后的离子电导率值图；(i)不同循环次数后的Warburg因子图。作者简介丁双双本文第一作者湖南大学物理与微电子科学学院 ▍ 主要研究领域钠、钾离子电池的纳米材料的设计和合成。 ▍ Email: 1434766089@qq.com 张明本文通讯作者湖南大学物理与微电子科学学院教授、博士生导师、岳麓学者 ▍ 主要研究领域碳基复合材料及其储能器件、超敏感气体探测器。 ▍ 主要研究成果发表了 90 多篇论文，被引用 3400 多次。 ▍ 主页链接 https://www.scholarmate.com/P/mzhang_hnu 撰稿：原文作者编辑：《纳微快报》编辑部关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 2447 次阅读|0 个评论

【相关阅读】超大层间距提升负载！首次报道一种新型钒基水系ZIBs正极材料: nanomicrolett 2019-10-28 12:24; Ultra-high Mass-Loading Cathode for Aqueous Zinc-ion battery Based on Graphene-Wrapped Aluminium Vanadate Nanobelts WenyuZhang, Shuquan Liang*, Guozhao Fang, Yongqiang Yang and Jiang Zhou* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 69 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0300-2 ▍ 本文亮点 ▍ 1 首次将H 11 Al 2 V 6 O 23.2 用于水系锌离子电池正极材料，该材料具有超大层间距，为Zn 2+ 的扩散提供了广阔的空间。 2 石墨烯包覆H 11 Al 2 V 6 O 23.2 纳米带结构，提高了电子导电性，也抑制了元素在水系电解液中的溶解。 3 在~15.7 mg/cm2的超高质量负载下，H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯正极材料仍能表现出较高的容量和优异的循环稳定性。 ▍ 内容简介 ▍ 相比锂离子电池，可充电水系锌离子电池 (ZIBs)具有成本低、环境友好、安全可靠等优点，同时兼顾高能量高功率的特性，因而具备大规模储能应用的潜力。目前针对水系ZIBs正极材料的开发与研究有很多，其中主要有钒基、锰基、普鲁士蓝衍生物、有机物等材料。但在前期研究中发现，锰基材料倍率性能较差，普鲁士蓝衍生物可逆容量较低。而钒基材料资源丰富，并具备较高的理论比容量，因此是有希望的水系ZIBs正极材料。基于纯V 2 O 5 表现出的低电子导电性、较差Zn 2+ 扩散动力学等问题，科学家提出了许多解决方案。其中，通过金属离子或结构水的预嵌入而制备出的正极材料（如K 0.25 V 2 O 5 ，Na 0.33 V 2 O 5 ，NH 4 V 4 O 10 等）均在循环与倍率性能上得到了提升。但钒基正极材料在低电流密度下循环稳定性差，循环过程中钒元素在电解液中溶出等问题仍有待解决。基于此，中南大学梁叔全和周江教授团队首次通过水热法与冷冻干燥处理，合成了石墨烯包裹的H 11 Al 2 V 6 O 23.2 纳米带复合材料。H 11 Al 2 V 6 O 23.2 材料在(001)晶面具有超大的层间距(13.36Aring;)，有利于Zn 2+ 的扩散；石墨烯能够提高电极体系的电子导电性，其有效包覆能够在一定程度上抑制H 11 Al 2 V 6 O 23.2 中钒元素在循环过程中的溶解。此新颖结构的构建，有效解决了钒基材料电子和离子导电性差的双重难题，也一定程度上缓解了正极材料溶解问题。将该材料应用于水系锌离子电池正极，在2 M ZnSO 4 水系电解液中展现出了优异的储锌性能。特别地，在~15.7mg/cm2的超高质量负载下，该正极仍有不俗的电化学性能表现。 ▍ 图文导读 ▍ ▍ H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯(HAVO@G)的材料表征 H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯复合材料通过水热法与后续冷冻干燥处理合成，其具有较大的层间距，(001)晶面的面间距为13.36Aring;，三倍于原始层状V 2 O 5 结构(4.4 Aring;, PDF#41-1426)，同时其表面均匀的被石墨烯包覆。这种超大的层间距的形成是由于在氧化钒的层状结构中嵌入了三价铝离子。H 11 Al 2 V 6 O 23.2 为长3 μm，宽0.5 μm的纳米带形貌，元素Al、V在其中均匀的分布，其中V为+4、+5构成的混合价态。图1 HAVO@G材料的(a)XRD图谱; (b-d)SEM、TEM、HRTEM图像与TEM-EDS元素图像; (e)元素Al、V的XPS图谱。 ▍ HAVO@G正极的电化学性能 HAVO@G正极的CV图谱显示其循环过程中多步嵌Zn 2+ 反应与较高的可逆性。由于石墨烯的存在增加了体系的电子导电性和提高了材料的稳定性，其在2 A/g的电流密度下表现出较为稳定的循环性能。同时其在倍率测试与超高质量负载循环测试中均表现出了理想的可逆容量与循环稳定性(活性物质质量负载约为15.7 mg cm2的极片在2 A/g下稳定循环400圈后仍保持131.7 mA h/g的可逆比容量)。图2 (a)HAVO@G正极的(a)CV图谱;(b, c)与未包覆石墨烯的HAVO正极在2 A/g电流密度下的电化学性能对比与对应的恒电流充放电曲线;(d)1-10 A/g的倍率性能；(e)2 A/g下超高质量负载极片的循环性能。 ▍ HAVO@G正极的动力学分析在对HAVO@G正极在循环过程中的动力学分析发现，赝电容行为贡献了较多的容量，这是由于复合材料中的石墨烯包裹结构与HAVO纳米带形貌提供的大比表面积共同导致。较大的赝电容贡献将有利于提高材料的倍率性能和长循环性能。图3HAVO@G正极(a)在不同扫速下的CV图谱; (b)氧化还原峰处log(i)与log(v)的散点图与线性拟合结果; (c)计算得到的1 mV/s扫速下的赝电容贡献(阴影部分)与(d)其它扫速下的赝电容贡献柱状图。 ▍ HAVO@G正极的GITT测试 GITT测试结果显示在第二、三圈循环中，Zn 2+ 的扩散系数在10 -7 -10 -8 cm2/s之间，这与报道过的其它钒基材料相比具有明显的提升。表明了HAVO@G较大的(001)晶面间距可为循环中Zn 2+ 的扩散提供充足的空间。图4HAVO@G正极在GITT测试中的充放电曲线与不同充放电状态下Zn2+扩散系数计算散点图。 ▍ HAVO@G正极嵌Zn2+机理研究 XRD图谱显示充放电过程中HAVO@G正极(001)晶面的位置基本保持不变，但是强度有所降低。随着Zn 2+ 和H + 的嵌入，有两个新相形成。另一方面，XPS图谱也反映了Zn 2+ 在结构中的嵌入/脱嵌，伴随着材料中部分V元素的还原/氧化过程。完全放电/充电状态下的TEM图像也显示了循环过程中稳定的(001)晶面。图5 HAVO@G正极在(a)不同充放电状态下的XRD图谱；(b)初始与完全放电/充电状态下元素Zn、V、Al的XPS图谱；(c)完全放电/充电状态下的HRTEM图像、SEAD图谱与TEM-EDS元素图像。作者简介梁叔全 (本文通讯作者) 中南大学材料科学与工程学院教授 ▍ 主要研究领域从事能源存储材料、粉末冶金、轻合金等研究。 ▍ 主要研究成果中南大学材料学院新能源材料研究团队学术带头人。芙蓉学者特聘教授及成就奖获得者，享受国务院特殊津贴专家，澳大利亚Monash大学工学约翰莫纳士爵士奖章获得者。相关研究成果发表高水平论文100余篇，其中包括国际著名权威学术刊物：EnergyEnvironmental Science, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Journal of American Ceramic Society, Journal of European Ceramic Society等。申请专利30余项，获国家科技进步二等奖1项、部级科技进步一等奖1项、省级科技进步二等奖1项。 Email: lsq@csu.edu.cn 主页链接 : http://mse.csu.edu.cn/bk/?id=Liang%20Shuquan 周江 (本文通讯作者) 中南大学特聘教授 ▍ 主要研究领域主要研究方向为水系锌离子电池、锂(钠)离子电池、超级电容器以及催化电极材料等。 ▍ 主要研究成果以一作或通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACSNano, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Acta Mater., Nano Energy, EnergyStorage Mater., Adv. Sci.,等国际SCI期刊发表学术论文50余篇。 Email: zhou_jiang@csu.edu.cn 主页链接 : http://mse.csu.edu.cn/bk/?id=zhou-jiang 张文钰中南大学材料科学与工程学院硕士研究生 ▍ 主要研究领域水系锌离子电池正极材料。 Email: zhangwenyu@csu.edu.cn 相关阅读锌离子电池进展 ·往期回顾 👇 1 清华大学徐成俊：揭示水系Zn/MnO2锌离子电池储能新机理 2 NML研究文章｜水系锌离子电池正极材料：混合价态V2O5纳米球关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 3678 次阅读|0 个评论

超大层间距提升负载！首次报道一种新型钒基水系ZIBs正极材料: nanomicrolett 2019-9-19 17:00; Ultra-high Mass-Loading Cathode for Aqueous Zinc-ion battery Based on Graphene-Wrapped Aluminium Vanadate Nanobelts WenyuZhang, Shuquan Liang*, Guozhao Fang, Yongqiang Yang and Jiang Zhou* Nano-Micro Lett. (2019) 11: 69 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0300-2 ▍ 本文亮点 ▍ 1 首次将H 11 Al 2 V 6 O 23.2 用于水系锌离子电池正极材料，该材料具有超大层间距，为Zn 2+ 的扩散提供了广阔的空间。 2 石墨烯包覆H 11 Al 2 V 6 O 23.2 纳米带结构，提高了电子导电性，也抑制了元素在水系电解液中的溶解。 3 在~15.7 mg/cm2的超高质量负载下，H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯正极材料仍能表现出较高的容量和优异的循环稳定性。 ▍ 内容简介 ▍ 相比锂离子电池，可充电水系锌离子电池 (ZIBs)具有成本低、环境友好、安全可靠等优点，同时兼顾高能量高功率的特性，因而具备大规模储能应用的潜力。目前针对水系ZIBs正极材料的开发与研究有很多，其中主要有钒基、锰基、普鲁士蓝衍生物、有机物等材料。但在前期研究中发现，锰基材料倍率性能较差，普鲁士蓝衍生物可逆容量较低。而钒基材料资源丰富，并具备较高的理论比容量，因此是有希望的水系ZIBs正极材料。基于纯V 2 O 5 表现出的低电子导电性、较差Zn 2+ 扩散动力学等问题，科学家提出了许多解决方案。其中，通过金属离子或结构水的预嵌入而制备出的正极材料（如K 0.25 V 2 O 5 ，Na 0.33 V 2 O 5 ，NH 4 V 4 O 10 等）均在循环与倍率性能上得到了提升。但钒基正极材料在低电流密度下循环稳定性差，循环过程中钒元素在电解液中溶出等问题仍有待解决。基于此，中南大学梁叔全和周江教授团队首次通过水热法与冷冻干燥处理，合成了石墨烯包裹的H 11 Al 2 V 6 O 23.2 纳米带复合材料。H 11 Al 2 V 6 O 23.2 材料在(001)晶面具有超大的层间距(13.36)，有利于Zn 2+ 的扩散；石墨烯能够提高电极体系的电子导电性，其有效包覆能够在一定程度上抑制H 11 Al 2 V 6 O 23.2 中钒元素在循环过程中的溶解。此新颖结构的构建，有效解决了钒基材料电子和离子导电性差的双重难题，也一定程度上缓解了正极材料溶解问题。将该材料应用于水系锌离子电池正极，在2 M ZnSO 4 水系电解液中展现出了优异的储锌性能。特别地，在~15.7mg/cm2的超高质量负载下，该正极仍有不俗的电化学性能表现。 ▍ 图文导读 ▍ ▍ H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯(HAVO@G)的材料表征 H 11 Al 2 V 6 O 23.2 @石墨烯复合材料通过水热法与后续冷冻干燥处理合成，其具有较大的层间距，(001)晶面的面间距为13.36，三倍于原始层状V 2 O 5 结构(4.4 , PDF#41-1426)，同时其表面均匀的被石墨烯包覆。这种超大的层间距的形成是由于在氧化钒的层状结构中嵌入了三价铝离子。H 11 Al 2 V 6 O 23.2 为长3 μm，宽0.5 μm的纳米带形貌，元素Al、V在其中均匀的分布，其中V为+4、+5构成的混合价态。图1 HAVO@G材料的(a)XRD图谱; (b-d)SEM、TEM、HRTEM图像与TEM-EDS元素图像; (e)元素Al、V的XPS图谱。 ▍ HAVO@G正极的电化学性能 HAVO@G正极的CV图谱显示其循环过程中多步嵌Zn 2+ 反应与较高的可逆性。由于石墨烯的存在增加了体系的电子导电性和提高了材料的稳定性，其在2 A/g的电流密度下表现出较为稳定的循环性能。同时其在倍率测试与超高质量负载循环测试中均表现出了理想的可逆容量与循环稳定性(活性物质质量负载约为15.7 mg cm2的极片在2 A/g下稳定循环400圈后仍保持131.7 mA h/g的可逆比容量)。图2 (a)HAVO@G正极的(a)CV图谱;(b, c)与未包覆石墨烯的HAVO正极在2 A/g电流密度下的电化学性能对比与对应的恒电流充放电曲线;(d)1-10 A/g的倍率性能；(e)2 A/g下超高质量负载极片的循环性能。 ▍ HAVO@G正极的动力学分析在对HAVO@G正极在循环过程中的动力学分析发现，赝电容行为贡献了较多的容量，这是由于复合材料中的石墨烯包裹结构与HAVO纳米带形貌提供的大比表面积共同导致。较大的赝电容贡献将有利于提高材料的倍率性能和长循环性能。图3HAVO@G正极(a)在不同扫速下的CV图谱; (b)氧化还原峰处log(i)与log(v)的散点图与线性拟合结果; (c)计算得到的1 mV/s扫速下的赝电容贡献(阴影部分)与(d)其它扫速下的赝电容贡献柱状图。 ▍ HAVO@G正极的GITT测试 GITT测试结果显示在第二、三圈循环中，Zn 2+ 的扩散系数在10 -7 -10 -8 cm2/s之间，这与报道过的其它钒基材料相比具有明显的提升。表明了HAVO@G较大的(001)晶面间距可为循环中Zn 2+ 的扩散提供充足的空间。图4HAVO@G正极在GITT测试中的充放电曲线与不同充放电状态下Zn2+扩散系数计算散点图。 ▍ HAVO@G正极嵌Zn2+机理研究 XRD图谱显示充放电过程中HAVO@G正极(001)晶面的位置基本保持不变，但是强度有所降低。随着Zn 2+ 和H + 的嵌入，有两个新相形成。另一方面，XPS图谱也反映了Zn 2+ 在结构中的嵌入/脱嵌，伴随着材料中部分V元素的还原/氧化过程。完全放电/充电状态下的TEM图像也显示了循环过程中稳定的(001)晶面。图5 HAVO@G正极在(a)不同充放电状态下的XRD图谱；(b)初始与完全放电/充电状态下元素Zn、V、Al的XPS图谱；(c)完全放电/充电状态下的HRTEM图像、SEAD图谱与TEM-EDS元素图像。作者简介梁叔全 (本文通讯作者) 中南大学材料科学与工程学院教授 ▍ 主要研究领域从事能源存储材料、粉末冶金、轻合金等研究。 ▍ 主要研究成果中南大学材料学院新能源材料研究团队学术带头人。芙蓉学者特聘教授及成就奖获得者，享受国务院特殊津贴专家，澳大利亚Monash大学工学约翰莫纳士爵士奖章获得者。相关研究成果发表高水平论文100余篇，其中包括国际著名权威学术刊物：EnergyEnvironmental Science, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Journal of American Ceramic Society, Journal of European Ceramic Society等。申请专利30余项，获国家科技进步二等奖1项、部级科技进步一等奖1项、省级科技进步二等奖1项。 Email: lsq@csu.edu.cn 主页链接 : http://mse.csu.edu.cn/bk/?id=Liang%20Shuquan 周江 (本文通讯作者) 中南大学特聘教授 ▍ 主要研究领域主要研究方向为水系锌离子电池、锂(钠)离子电池、超级电容器以及催化电极材料等。 ▍ 主要研究成果以一作或通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACSNano, Adv. Funct. Mater., ACS Energy Lett., Acta Mater., Nano Energy, EnergyStorage Mater., Adv. Sci.,等国际SCI期刊发表学术论文50余篇。 Email: zhou_jiang@csu.edu.cn 主页链接 : http://mse.csu.edu.cn/bk/?id=zhou-jiang 张文钰中南大学材料科学与工程学院硕士研究生 ▍ 主要研究领域水系锌离子电池正极材料。 Email: zhangwenyu@csu.edu.cn 相关阅读锌离子电池进展 ·往期回顾 👇 1 清华大学徐成俊：揭示水系Zn/MnO2锌离子电池储能新机理 2 NML研究文章｜水系锌离子电池正极材料：混合价态V2O5纳米球关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 5298 次阅读|0 个评论

Mo掺杂NiCoP纳米片“一箭双雕”！双功能全水分解电催化剂: nanomicrolett 2019-7-18 15:29; Bifunctional Electrocatalysts Based on Mo-doped NiCoP Nanosheet Arrays for Overall Water Splitting Jinghuang Lin, Yaotian Yan, Chun Li,Xiaoqing Si, Haohan Wang, Junlei Qi*, Jian Cao, Zhengxiang Zhong, Weidong Fei and Jicai Feng Nano-Micro Lett. (2019) 11: 55 https://doi.org/10.1007/s40820-019-0289-6 本文亮点 1 采用水热法和磷化法组合策略，制备自支撑的Mo元素掺杂NiCoP纳米片阵列。 2 Mo掺杂提升了NiCoP纳米片阵列的电化学活性面积，且有效地优化了材料的电子结构。 3 Mo掺杂的NiCoP纳米片阵列具有显著的双功能全水分解电催化活性。内容简介氢能源由于燃烧热值高，燃烧产物为水，质量轻等特点，具有作为可再生能源载体的独特优势。电解水制氢具有获取氢气纯度高，反应过程无污染，原料储量巨大等优点，被视为氢能源转化关系中至关重要的步骤。电催化水分解技术由析氧反应(OER)和析氢反应(HER)两部分组成，其主要的难点在于反应过程需要克服各个步骤的反应能垒。为了降低能垒，需采用高活性的电催化剂来降低OER和HER的过电势。目前常用Ir/Ru基氧化物和Pt等贵金属催化剂进行电催化水分解，但这些贵金属催化剂的高成本和稀缺性极大地阻碍了它们的实际应用。此外当不同电极用于同一全水分解装置时，OER和HER的不兼容性可能导致效率低下。因此，设计一种低成本、高效率的双功能电催化剂是非常必要的。 👇 哈尔滨工业大学新材料及异种材料连接课题组亓钧雷老师等人采用水热法和磷化法组合的策略，成功制备出自支撑的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列用于高效全水分解。自支撑纳米片阵列具有丰富的微纳孔隙，不仅增加了电极材料的比表面积，而且有利于催化反应过程中气泡的快速逸出。 Mo元素掺杂增大了材料的电化学活性面积，且有效调控了NiCoP的电子结构，进而改善了催化活性位点的本征活性，从而获得了优秀的HER和OER催化性能。此外，本文探讨了Mo掺杂和电化学激活对催化活性的提升机制，为电化学能量转换装置的运用提供了新的思路。图文导读 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的合成采用水热法和磷化法组合的策略合成出自支撑的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列，直接用于HER催化即具有良好性能。通过电化学激活法获得了原位转变而成的Mo掺杂(Ni,Co)OOH纳米片阵列，可使材料的OER催化性能进一步提升。图1 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的合成示意图。 👇 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的形貌表征与物相鉴定 NiCoP呈相互交联的多孔纳米片状，Mo掺杂后，形貌没有明显变化。TEM结果进一步表明了纳米片上的多孔结构，并确定了NiCoP的成功制备。由对应元素的面扫描图谱可知Ni, Co, Mo, P均匀分布于整个纳米片，证明了Mo元素的成功掺杂。图2(a, b) NiCoP的SEM图； (c, d) Mo掺杂NiCoP的SEM图； Mo掺杂NiCoP的 (e) TEM图，(f) HRTEM图和(g) 对应元素面扫描。 👇 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的HER电催化性能分析在1 M KOH溶液中，Mo掺杂NiCoP纳米片阵列表现出优异的电催化性能。对于HER，电流密度为10 mA/cm 2 时过电势仅为76 mV，Tafel斜率为60 mV/dec，均明显优于未掺杂Mo的材料；制备的催化剂电极具有良好的循环稳定性。图3 (a) 极化曲线； (b) 对应的Tafel斜率； (c) 扫描速度与电流密度差值曲线； (d) 连续多步计时电位测试(不含iR矫正)； (e) 长时间计时电位稳定性测试(不含iR矫正); (f) 样品的Nyquist图。 👇 Mo掺杂NiCoP纳米片阵列的OER及全水分解电催化性能分析电化学激活后的样品仍然保持纳米片形貌，但表面变得粗糙和卷曲。由TEM结果可知激活后有许多亚纳米片生成，说明纳米片阵列原位转变为核壳结构阵列，这促进了电化学活性面积的提升，进而改善了样品OER催化性能，电流密度为10 mA/cm2时的过电势仅为269 mV。以Mo掺杂的NiCoP纳米片阵列作阴极，电化学激活后的Mo掺杂NiCoP纳米片阵列作阳极构建双电极全水分解系统，电流密度为10 mA/cm2时时的全水分解电压仅为1.61 V，且循环稳定性良好。图4 (a) 极化曲线； (b) 不同激活圈数样品的扫描速度与电流密度差值曲线；激活后Mo掺杂NiCoP纳米阵列的 (c,d) SEM图, (e) TEM图, (f) HRTEM图。 👇 图5 (a) 样品的全水分解极化曲线； (b) 全水分解电位计算值与测量值的对比； (c) 长时间全水分解计时电位稳定性测试作者简介亓钧雷（本文通讯作者）教授，博士生导师哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 ▌主要研究方向石墨烯微连接，自支撑纳米阵列用于能量存储和转换应用 ▌主要研究成果在Nature Communications, Advanced Science, Nano Energy等期刊上发表SCI论文80余篇，申请国家发明专利60余项，已获授权30项。 E-mail：jlqi@hit.edu.cn 相关阅读电催化分解水 ·往期回顾 👇 中空纳米笼NixCo1-xSe: 高效锌空气电池和全水分解催化剂高晶面指数Ni3S2分支阵列：双功能电解水催化剂界面作用“显身手”：NiSe2/Ti3C2Tx(MXene)助力超电及电催化分解水关于我们 Nano-Micro Letters是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在Springer开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。 E-mail： editorial_office@nmletters.org Tel： 86-21-34207624; 5965 次阅读|0 个评论

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