研究背景
近年來，過渡金屬硫化物因其獨特的物理化學特性、低成本等特點而備受關注。其中，三元硫化物由于其出色的電化學性質在能量轉換和儲存領域（如：太陽能電池、水分解、制氫、超級電容器、離子電池等）廣泛應用。特別是鎳鈷硫化物(NCSs)已成為最受關注的三元硫化物之一。其主要優點在于相對較高的電導率、多價態和豐富的晶體結構。NCSs 在儲能裝置、電催化、光催化、傳感器和微波吸收中具有非常有前景的應用。
文章簡介
近日，廈門大學的葉美丹教授在國際知名期刊 Journal of Materials Chemistry A 上發表題為“Recent Advances in Various Applications of Nickel Cobalt Sulfide Nanomaterials”的綜述。該綜述簡要總結了 NCSs 在結構設計、部件優化和復合材料制備方面的最新進展，并全面回顧 NCSs 納米材料在各個領域（例如超級電容器、電池、電催化、光催化、傳感器和微波吸收）的最新應用。該文章針對 NCSs 的不同應用重點介紹了一些具有代表性的例子。最后，文章對 NCSs 納米材料在不同應用中出現的常見問題進行了概述，同時也對其前景做了展望。
本文要點
在 NCSs 的微納米結構設計方面，除了傳統的納米結構，一些特殊的形態也得到了應用（例如納米管編織六邊形微片、納米片構建的中空納米籠、納米顆粒堆疊微球等）。這種分層結構有利于進一步放大活性反應位點，促進電荷傳輸并促進離子擴散，最終增強 NCSs 的性能。在化學計量效應方面，對于三元或四元半導體，其元素的化學計量比通常是可調的，這對其性能和器件性能也起著重要作用。NCSs 還可以與許多其他材料（例如金屬氧化物、硫化物，硒化物，磷化物等）進行合理的整合以彌補NCSs的缺點。
文章重點回顧 NCSs 的應用（圖 1），包括在儲能器件中的應用（超級電容器和電池）、在水分解中的應用、在太陽能電池中的應用、在光催化中的應用、在傳感器中的應用、在微波吸收中的應用。與相應的氧化物和二元硫化物相比，NCSs 因其相對較高的電導率和更多的氧化還原位點而被廣泛應用于電化學儲能裝置，例如超級電容器和電池。由于 Ni 和 Co 在晶體結構中具有豐富的氧化還原對活性位點，NCSs 表現出比二元硫化物更高的電導率和催化能力，因此可以作為一種有前途的雙功能催化劑應用于電催化水分解。同樣的，NCSs 材料通過 Ni 和 Co 原子之間協同作用提供豐富的氧化還原反應和相對較高的電導率，有望成為有前途的染料敏化太陽能電池(DSC)和量子點敏化太陽能電池(QDSC)的對電極材料。由于 NCSs 具有良好的光電導率和 p 型半導體特性，也被引入光催化系統。NCSs 及其具有不同結構的復合材料也被認為是非生物酶葡萄糖傳感器的最佳選擇，對葡萄糖氧化具有良好的電催化活性。NCSs 因其出色的磁損耗性能而被認為是一種潛在的微波吸收材料。
▲ | 圖 1. NCSs 的晶體結構、納米結構及應用示意圖。 |
關于 NCSs 在多個領域中的應用主要是基于其優異的特性，例如相對較高的電導率、豐富的活性位點和可調的組份。盡管在開發用于不同器件的 NCSs 基材料方面取得了很大進展，但這些材料仍不能滿足實際應用的要求。未來應特別關注低制造成本、環境友好和工業規模制備。為了進一步合理設計 NCSs 材料，應當更多地了解 NCSs 材料的微觀特性與宏觀性能之間的關系。為了提高性能，需要開發和構建高效 NCSs 材料（例如，元素比例的調節、高效納米結構的形成以及其他組份的集成）。此外，深入了解 NCSs 在不同應用系統中的材料行為和工作機制對于提高性能非常重要。非原位和原位表征技術的結合對于揭示基于 NCSs 應用的潛在機制（例如，組分轉換、結構演化、反應途徑和界面相互作用）非常有用。此外，具有更高合理性的、可靠性的數學建模和理論模擬的優化也非常有助于推動 NCSs 的實際應用。利用迅速發展和廣泛應用在許多領域的機器學習，通過有目的的設計和簡單、大規模、高效和低成本的制備策略，有可能成為研究在各種應用中性能優越的 NCSs 的有力途徑。
論文信息
Recent Advances in Various Applications of Nickel Cobalt Sulfide Nanomaterials
Gaofei Xue, Tian Bai, Weiguo Wang, Senjing Wang and Meidan Ye (葉美丹，廈門大學)
J. Mater. Chem. A, 2022
http://doi.org/10.1039/D2TA00305H
廈門大學通訊作者
現任廈門大學物理科學與技術學院教授，研究領域包括高性能半導體微納米材料的可控合成和機理研究，柔性能源器件（太陽能電池、納米摩擦發電機，電化學儲能器件等），光催化以及可穿戴生物傳感器的制備。在 J. Am. Chem. Soc., Mater. Today, Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater. 等國際著名期刊上發表論文七十多篇，以及相關英文專著兩本和專著章節四篇，文章被引用 4000 余次，H 因子 32。
廈門大學第一作者
現就讀于廈門大學物理科學與技術學院，研究方向包括柔性能源及傳感材料和器件。
