上海交通大学，Nature Synthesis！

米测MeLab

2025-07-11

研究背景

金属氧氢化物（MOOHs）是一类具有独特物理化学性质的二维材料，因其在电子学、电化学和催化等领域具有广泛的应用前景。与传统的金属氧化物材料相比，MOOHs在氧气析出反应（OER）等电催化过程中的优异性能，使其成为电池、超级电容器和其他能源转换装置中的重要候选材料。然而，MOOHs材料的层间作用力较强，导致其在实际应用中难以剥离成高质量的二维纳米片，进而限制了其性能的发挥。如何有效剥离MOOHs，制备高效、稳定的纳米片，是目前该领域的一个重大挑战。

为了解决这些问题，上海交通大学宋钫副教授、张荻院士以及台湾大学的陈浩铭(Hao Ming Chen)教授等人合作在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Topochemical exfoliation of metal oxyhydroxides for the electrolytic oxygen evolution reaction”的最新论文。该团队提出了一种新的拓扑化学氧化方法，通过引入活性氧物种，促进MOOHs的剥离，并成功制备出稳定的水性胶体。通过该方法，研究人员成功实现了CoFeOOH纳米片的制备，并利用碱金属阳离子（如Cs+）稳定负电荷活性氧物种，进一步提高了剥离效率。研究表明，这些活性氧物种通过调节层间排斥力，显著改善了MOOHs的剥离过程，克服了传统方法中层间强相互作用的难题。

此外，通过结合原位和外部光谱分析、电化学测试和理论计算，研究人员深入探讨了这一剥离过程的机制。特别是，Cs+-CoFeOOH纳米片在氧气析出反应（OER）中展现出优异的电催化性能，在阳离子交换膜水电解槽（AEMWE）中以1.62V的电池电压实现了1A·cm^-2的电流密度，证明了该纳米片在能源转换领域的巨大潜力。

这一研究为MOOHs的剥离提供了一种全新的策略，不仅提高了纳米片的制备效率，也为其他难以剥离的层状化合物的二维材料制备开辟了新的路径。该方法的提出为未来二维材料的高效制备和应用提供了新的技术路线，具有重要的理论意义和广泛的应用前景。

研究亮点

1.实验首次提出了一种新的拓扑化学氧化方法，通过引入活性氧物种（如超氧根）促进了MOOHs的剥离。实验中，使用该方法成功制备了四种不同的MOOH纳米片，且这些纳米片在水溶液中形成稳定胶体。

2.实验通过通过光谱分析和理论计算，揭示了活性氧物种通过静电作用与碱金属阳离子（如Cs+）相互作用，稳定了带负电的氧物种，减弱了MOOHs的层间吸引力，促进了其剥离为纳米片。

3.实验进一步证明，所得到的Cs+-CoFeOOH纳米片在AEMWE中表现出了卓越的电化学性能，尤其是在1.62V的电池电压下，能够实现1A·cm^-2的电流密度，并在OER过程中展现出极高的转化频率（0.12 s^-1）。

图文解读

图1：拓扑化学剥离过程示意图。

图2：CoOOH纳米片的表征。

图3：双金属氧氢化物纳米片的表征。

图4：A+ -CoOOH纳米片的原子和电子结构。

图5：MOOH纳米片的电化学性能和AEMWE性能。

结论展望

本文开发了一种高效且可扩展的拓扑化学氧化方法，用于在水基溶液中剥离MOOH纳米片。研究者将剥离效率和电催化活性与碱金属阳离子的种类相关联，并进一步与活性氧物种的生成进行了关联。通过电化学分析和理论计算的结合，研究者发现活性氧物种通过静电相互作用被碱金属阳离子稳定，这些作用调节了层间的排斥力，从而实现了高效的剥离。所得纳米片在三电极配置和阳离子交换膜水电解槽（AEMWEs）中表现出优异的催化活性。具体而言，Cs⁺-CoFeOOH纳米片在300 mV过电位下的转化频率（TOF）高达0.12 s⁻¹，使其成为最活跃的OER催化剂之一。此外，CoFeOOH阳极基于AEMWE的电池电压为1.62 V，电流密度达到1 A·cm⁻²，位居最优性能AEM电解槽之列。这种拓扑化学表面植入策略为大规模合成超薄氧氢化物提供了有前景的方法。关于碱金属阳离子与活性氧物种相互作用的机理研究为从难以剥离的层状化合物中制造二维材料提供了宝贵的指导。

原文详情：

Wang, S., Jiang, Q., Hu, C. et al. Topochemical exfoliation of metal oxyhydroxides for the electrolytic oxygen evolution reaction. Nat. Synth (2025). 

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00837-0