研究内容

成核和结晶是材料科学中普遍存在的重要概念，因为它们发生在许多自然和工业过程中。根据传统的成核理论，溶液中的晶体在热涨落下成核，晶体取向随机。因此，在基底上生长的纳米片阵列总是表现出无序排列，这阻碍了其催化过程中的传质。

为了克服这一限制， 北京航空航天大学郭林、董雷霆和刘利民 展示了应力诱导、定向成核和纳米片阵列的生长。在弯曲的生长衬底上实现了规则自生长的平行纳米片阵列。可控的平行阵列、完全覆盖的蓬松状超薄纳米片和无定形无序结构共同实现了从微观到原子尺度的分级界面的全面设计，显著改善了原本缓慢的析氧(OER)动力学，实现了工业超快生产。在2.862 V的竞争性低电池电压下，稳定实现了创纪录的135 L·min -1 ·m -2 的超高速氧气产量和4000 mA·cm -2 的高工作电流。相关工作以“ Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 作者利用应力诱导、定向成核和纳米片阵列的生长，在弯曲的生长衬底上成功地制备出平行纳米片阵列(PNAs)。Ni(acac) 2 ·2H 2 O的应力诱导生长机制通过控制前驱体的脱水来引导PNAs的准备排列。

要点2. 在电化学产氧过程中，有序阵列在微通道中保持稳定的液体流动，抑制了随机定向纳米片阵列典型的阻流氧气泡的有害产生。有限元模拟和原位光学显微镜都表明，PNAs设计可以促进传质和更快的气泡分离，从而提高析氧反应(OER)性能。

要点3. 可控的平行阵列、完全覆盖的蓬松状超薄纳米片和无定形无序结构共同实现了从微观到原子尺度的分级界面的全面设计，显著改善了原本缓慢的析氧(OER)动力学，实现了工业超快生产。在2.862 V的竞争性低电池电压下，稳定实现了创纪录的135 L·min -1 ·m -2 的超高速氧气产量和4000 mA·cm -2 的高工作电流。

这些结果和相关见解为超越经典成核方法在晶体定向成核和生长方面的进一步发展奠定了基础，用于超快氧气生产的工业电化学过程。

研究图文

图1. Ni(acac) 2 PNAs应力诱导生长的形貌和结构表征。

图2. Ni(acac) 2 PNAs的定向生长。

图3. PNAs和随机NAs中传质和气泡演化的有限元模拟。

图4. PNAs催化剂和对照样品的电化学催化性能。

文献详情

Parallel Nanosheet Arrays for Industrial Oxygen Production

Jianxin Kang, Gui Liu, Qi Hu, Yezeng Huang, Li-Min Liu,* Leiting Dong,* Gilberto Teobaldi, Lin Guo*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c05688

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