导读：

构建过渡金属基电催化剂的阵列结构是提高整体水分解性能的有效方法。然而，与传统的无序阵列结构相比，过渡金属基材料有序排列的平行阵列结构却鲜有报道。近期，北京化工大学王峰教授团队与郑州大学张鹏教授团队合作，通过微流控纺丝技术制备了具有平行阵列结构的Co₉S₈/氮掺杂碳纳米笼/碳纤维（p-Co₉S₈/NC/CF）复合电催化剂，该催化剂在整体水分解反应中表现出优异的双功能催化活性和稳定性，为开发高效的能源转换材料提供了新策略。相关研究以“Parallel Array Structured Cobalt Sulfide/Nitrogen Doped Carbon Nanocage /Carbon Fiber Composite Based on Microfluidic Spinning Technology: A Novel Design to Boost Overall Water Splitting”为题目，发表在期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。

本文要点：

1、本研究通过创新的微流控纺丝技术，成功合成了具有平行阵列结构的Co₉S₈/氮掺杂碳笼/碳纤维（p-Co₉S₈/NC/CF）复合电催化剂。

2、p-Co₉S₈/NC/CF在析氧反应（OER）中表现出优异的催化活性和稳定性，在300 mA·cm^-2的大电流密度下的过电位低至495 mV，远优于传统无序阵列结构的Co₉S₈/NC/CF和商业RuO₂催化剂。

3、X射线吸收光谱分析和密度泛函理论计算表明，大量未饱和的Co-S配位键可优化OH-的吸附和O₂的脱附，从而加速OER的决速步骤，提高了催化性能。

4、p-Co₉S₈/NC/CF在析氢反应（HER）中也表现出优异的性能，在300 mA·cm^-2下的过电位仅为670 mV，优于Pt/C催化剂。

5、当用作整体水分解电解池的电极时，p-Co₉S₈/NC/CF||p-Co₉S₈/NC/CF电解池只需1.52 V即可获得10 mA·cm^-2的电流密度，优于商业Pt/C||RuO₂电解池。

6、该工作为过渡金属基电催化剂的结构设计提供了新策略，展示了平行阵列结构在提高电催化性能方面的优势。

p-Co₉S₈/NC/CF电催化剂的平行阵列结构提供了以下优势：

1、提高活性位点的暴露：平行阵列结构有助于更多活性位点的暴露，从而增强了电催化剂与反应物的接触面积，提高了催化效率。

2、加速电子传输：这种有序排列的结构为电子提供了更直接的传输路径，降低了电子在传输过程中的阻力，加快了电化学反应速率。

3、增强结构稳定性：平行阵列的碳纤维基质提供了优异的机械和化学稳定性，使得电催化剂在长期运行中保持结构和性能的稳定。

4、优化反应动力学：通过优化OH-的吸附和O₂的解吸过程，平行阵列结构有助于加速氧发生反应（OER）的速率决定步骤，从而提升了整体的水分解性能。

微流控纺丝技术与传统电催化剂合成方法的主要区别在于：

1、无需基底：微流控纺丝技术可以在无需任何基底的情况下直接制备出具有平行阵列结构的电催化剂，而传统方法通常依赖于如镍泡沫或碳布等基底。

2、简化步骤：此技术通过一步法实现电催化剂的合成，与传统方法相比，省去了繁琐的步骤和长时间的处理过程。

3、提高有序性：微流控纺丝技术能够赋予电催化剂更高的有序性，其制备出的纤维沿同一方向均匀生长，形成精确控制的平行阵列结构。

4、形态可控：通过微流控纺丝技术，可以精确控制纤维的形态和排列，这在传统方法中很难实现，从而提高了材料的结构一致性和性能。

5、高效率：该技术通过微流控装置和控制系统的设计，确保了纤维的稳定和等距形成，提高了制备过程的效率和可重复性。

图1.（a）微流控纺丝装置的结构图，包括纺丝单元（左）和控制系统（右），（b）p-Co₉S₈/NC/CF合成示意图。

图2.（a-b）p-Co/NC/CF的扫描电镜（SEM）图像，（c-d）p-Co₉S₈/NC/CF的SEM图像，（e）TEM图像，（f）SAED图像，（g）元素映射图像。

图3.（a）XRD图谱，（b）拉曼光谱，（c）XPS全扫描光谱，（d）Co 2p，（e）S 2p，（f）N 1s高分辨率XPS光谱，（g）N₂吸附/解吸等温线，（h）BET表面积，（i）孔径分布。

图4.（a）OER的LSV曲线，（b）相应的过电位，（c）塔菲尔图，（d）I–t计时电流曲线，（e）双层电容（C_dl）值，（f）奈奎斯特图。（g）平行阵列结构p-Co₉S₈/NC/CF的OER性能提高的原因示意图。

图5.（a）Co K边XANES光谱，（b）R空间中的Co K边EXAFS，（c）K空间中的Co K边EXIFS，（d-f）Co箔、p-Co/NC/CF和p-Co₉S₈/NC/CF的Co K边缘EXAFS光谱的小波变换等高线图。（g-j）p-Co₉S₈/NC/CF催化剂表面上OER中间体（*OH、*O和*OOH）优化配置的侧前视图。（k）p-Co₉S₈/NC/CF上OER的吉布斯自由能图。

图6.（a）HER的LSV曲线，（b）相应的过电位，（c）塔菲尔图，（d）用于整体水分解的电解槽示意图，（e）水分解极化曲线，（f）p-Co₉S₈/NC/CF与报告的催化剂在10 mA·cm^-2下的电池电压比较，（g）p-Co₉S₈/NC/CF的整体水分解示意图。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4TA04356A