层状双氢氧化物（LDHs）是一类层状材料，其中带正电荷的层包含交替排列的金属阳离子（通常为二价和三价，尽管也知道一价金属阳离子），由位于层间空间内的电荷补偿阴离子平衡。由于电催化剂的快速发展，LDHs用于OER的研究引起了广泛关注。Tewodros Asefa及其同事报道，双金属Zn - Co层状双氢氧化物（Zn - Co - LDH）可以作为水和醇氧化的高效电催化剂。

如今，传统能源的枯竭和环境的恶化是当前社会严重关注的问题。因此，寻找高效电催化剂来解决能源问题的话题引起了许多研究人员的兴趣。析氧反应（OER）是许多能量转换和存储过程（如水分解）中涉及的重要半反应。许多研究都集中在OER催化剂的设计和可控合成上。像RuO₂和IrO₂这样的贵金属催化剂表现出高性能。Zhongbin Zhuang和同事发现，单分散的Au@Co₃O₄核壳在碱溶液中对OER表现出优异的催化活性和稳定性。Tobias Reier及其同事报道，Ir纳米颗粒作为纳米级OER催化剂表现出良好的稳定性和高OER活性。然而，对低成本、高活性和增强OER动力学的新催化剂的需求仍在不断增加。

与其他块状材料相比，二维（2D）材料具有更大的活性表面积。Norskøv及其同事使用密度泛函理论（DFT）基于计算的吸附能为析氢反应（HER）建立了理论模型。根据他们的结果，层状MoS₂的边缘显示出相当高的活性。Hongjie Dai及其同事发现，NiFe - LDH纳米板在碱性溶液中对氧析出反应具有高度活性。Fang Song和Xile Hu表明，剥离的LDHs更高的OER活性主要归因于活性边缘位点数量的增加和更高的电子导电性。

液体剥离层状材料已成为生产新型二维材料的常规方法。然而，由于液体剥离制备二维材料的产率低且合成复杂，人们期望找到简单有效的新方法来制备2D纳米材料。在这项工作中，我们使用一步微波辅助方法来制备Zn - Co - LDH纳米片，避免了液体剥离方法的低产率和复杂合成。这样一种简单有效的方法可以扩展到大规模生产。电化学测量表明，与Zn - Co - LDH纳米颗粒相比，Zn - Co - LDH纳米片在碱溶液中对OER表现出优异的催化活性和稳定性。改进的电催化活性可能与2D多孔结构有关，产生有利的表面渗透性和高活性表面积。

为了合成Zn - Co - LDH纳米片，将0.446 g六水合硝酸锌（1.5 mmol）、0.873 g六水合硝酸钴（3 mmol）和1.441 g尿素（24 mmol）溶解在25 mL去离子水中，然后将70 mL乙二醇加入到上述溶液中。将所得溶液转移到350 mL自制圆底烧瓶中，并在XH - MC - 1微波反应器中在900 W下进行微波处理。微波处理20 min后，将反应冷却至室温。产物过滤，用蒸馏水和无水乙醇彻底洗涤，并在60℃下干燥过夜。

使用Rigaku D - MAX/IIA X射线衍射仪在5 - 70（2θ）的扫描范围内以1.2（2θ）/min的速率用Cu Kα辐射进行粉末X射线衍射测量。使用扫描电子显微镜（SEM）（JMS - 6700F）和透射电子显微镜（TEM）（JEM - 2010F）研究制备材料的形态和结构。使用AVATRA370 FTIR仪器用KBr板在4500 - 500 cm⁻¹内通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）监测表面基团。在液氮温度下在ASAP 2020分析仪（Micromeritics Instruments，USA）上进行N₂吸附 - 脱附分析。使用BET方程计算Brunauer - Emmett - Teller（BET）比表面积。使用脱附等温线通过Barrett - Joyner - Halenda（BJH）方法确定孔径分布。在Bruker仪器（MultiMode 8系统）上进行原子力显微镜（AFM）表征。

使用连接到恒电位仪（CorrTest CS330）的三电极配置研究LDH纳米片对水氧化的催化性能。对电极是铂丝，参比电极是饱和甘汞电极（SCE）。在室温下以5 mV/s的扫描速率在碱溶液（0.1 M KOH）中获得线性扫描伏安法（LSV）测量。为了进行比较，在类似条件下在玻璃碳工作电极上测试材料的催化性能。所有电位测量均根据以下公式转换为可逆氢电极（RHE）：ERHE = ESCE + 0.242 + 0.059 pH（单位：伏特）。应该注意的是，所有电流密度均根据电极面积进行归一化，并且相对于SCE测量的电位转换为能斯特方程；过电位（h）根据以下公式计算：h（V）= ERHE - 1.23 V。

在0.1 M KOH溶液中在0.6 V（相对于SCE）的施加电位下进行电化学阻抗谱（EIS）测量。阻抗谱在室温下在100 kHz至0.01 Hz的频率范围内记录。在每次测量之前，用高纯度N₂吹扫KOH溶液。

在这里，我们开发了一种一步微波辅助方法来合成纳米片。在不同的微波功率和不同的反应时间下进行了Zn - Co - LDH纳米片的合成。结果如图S1所示。我们发现，随着微波功率的增加，Zn - Co - LDH纳米片的XRD峰变得更强，特别是（003）、（006）和（113）的峰。因此，我们选择了900 W的微波功率。在不同微波照射时间的对照实验中，XRD图谱没有观察到明显差异（图S2）。我们进一步对在不同微波照射时间获得的样品进行了形态分析。从AFM图像（图S3）中，我们发现反应时间对形态有很大影响。AFM图像（图S3）清楚地表明，随着反应时间的增加（从5分钟到20分钟），Zn - Co - LDH纳米片的尺寸变得更大。将反应时间从20分钟进一步增加到30分钟，从图S3C与S3D的比较中几乎没有观察到形态的明显变化。因此，选择20分钟的反应时间和900 W的微波功率作为最佳条件。图1A显示，Zn - Co - LDH纳米片产品呈雪纺状悬浮在水中。XRD分析结果如图1B所示。根据先前的报道，所有的衍射峰都可以很好地索引到层状水滑石样相。进行了FTIR光谱（如图S4所示）以确定双氢氧化物的形成。在500至4000 cm⁻¹的区域内有四个明显的吸收带。3473 cm⁻¹处的强而宽的IR吸收峰是由于OH基团的伸缩振动。1580 cm⁻¹处相对较弱的吸收归因于OH基团的弯曲振动。1348和833 cm⁻¹处的其他两个吸收带归因于CO₃²⁻的存在。这些结果表明，Zn - Co - LDH材料中存在大量的OH基团、碳酸盐和水分子。结合XRD分析结果和FTIR光谱，我们可以安全地得出结论，形成了具有水镁石型层状结构的Zn - Co - LDH。在导电粘合剂上合成的Zn - Co - LDH纳米片的扫描电子显微镜（SEM）图像以及Zn和Co的选定区域元素分析映射表明，Zn（紫色）和Co（绿色）原子都分布在整个区域，揭示了Zn和Co在Zn - Co - LDH样品中的均匀分布。从表1中选定区域的EDS分析表明，Zn和Co之间的原子比约为1:2，这与初始金属前驱体部分几乎一致。

典型的SEM图像（图3A）清楚地表明成功制备了大量均匀的纳米片。合成的Zn - Co - LDH纳米片的尺寸约为一微米。通过更高倍率的SEM（如图3B所示）进行了详细的形态表征。TEM观察（图3C）表明，Zn - Co - LDH纳米片对电子束几乎是透明的，这表明纳米片的超薄性质。通过更高倍率的TEM进一步检查证实，纳米片表面存在一些小孔。图4显示了在新裂解的云母上合成的Zn - Co - LDH纳米片的峰值力模型原子力显微镜（PF - AFM）图像。PF - AFM观察表明，Zn - Co - LDH纳米片具有高度粗糙的表面，有缺陷和一些小的不规则孔。高度轮廓（见图4A）和三维（3D）PF - AFM图像（见图4B）表明，制备的Zn - Co - LDH纳米片的厚度约为2 nm。这种特殊的形态可能产生大的比表面积，并进一步为OER提供高催化活性。我们还对获得的Zn - Co - LDH纳米片进行了BET分析。正如预期的那样，Zn - Co - LDH纳米片表现出多孔结构，比表面积为116.4 m²/g（图5）。这种特征结构可以提供大量的反应位点，并有效地促进反应物和产物的运输。

通过旋转圆盘电极（RDE）在0.1 M KOH溶液中评估了Co - Zn - LDH的电催化OER活性。旋转速率保持在2200 rpm以去除产生的氧气气泡。首先，我们测量了Co - Zn - LDH样品的极化曲线。包括块状ZnCo₂O₄、Zn - CO - LDH纳米颗粒和Co₃O₄纳米粉末的OER活性以进行比较。从图6A可以看出，在这四种催化剂中，Zn - Co - LDH纳米片催化剂对OER表现出最低的起始电位和最高的电流密度，揭示了良好的OER活性。对Zn - Co - LDH纳米片与其他催化剂之间的OER活性进行了详细比较。从起始电位、电流密度为2 mA/cm²时的电位和电流密度进行了比较。详细结果见表2。Zn - Co - LDH纳米片在2 mA/cm²的电流密度下呈现出比Zn - Co - LDH纳米颗粒（0.46 V）更低的过电位（0.375 V）。在0.54 V的过电位下，Zn - Co - LDH纳米片的电流密度约为15.06 mA/cm²，远高于其他对照样品。图S5显示了在0.375 V（0.6 V vs. SCE）的固定过电位下不同催化剂的不同电流密度。Zn - Co - LDH纳米片催化剂上的电流密度约为1.98 mA/cm²，约为其他催化剂的5倍。Tewodros Asefa及其同事报道，交替分布的双金属LDH结构提供了类似的环境，其中相对不活跃的Zn²⁺离子具有独特的促进作用，改善了反应物与活性位点之间的相互作用，进一步导致催化活性增强。可以推断，Zn本身可能无法提供催化功能，而Zn和Co在LDH层中的交替排列可能归因于催化性能的提高。我们还研究了在不同反应时间获得的样品的OER活性。从图S9可以看出，在20分钟获得的样品的OER活性与在30分钟获得的样品几乎相同，远优于在5分钟或10分钟获得的样品。在这里，我们发现Zn - Co - LDH纳米片的面积对OER活性有强大的影响（如图S9所示）。这种强大的影响可以通过纳米片边缘贡献合理的高活性来解释，这与先前报道的结果一致。

为了更深入了解OER活性，与其他催化剂的塔菲尔图进行了比较，结果如图6B所示。塔菲尔图由塔菲尔方程（h = b log j + a，其中b是塔菲尔斜率）得出。从图6B可以看出，Co₃O₄的斜率为每十年105 mV，低于Zn - Co - LDH纳米颗粒（每十年145 mV）和ZnCo₂O₄（每十年157 mV）。众所周知，氢氧化物的固有电导率低于金属氧化物。然而，Zn - Co - LDH纳米片的斜率为每十年101 mV，远低于Zn - Co - LDH纳米颗粒。特别是，Zn - Co - LDH纳米片的斜率也低于Co₃O₄。因此，具有多孔超薄二维结构的Zn - Co - LDH纳米片对OER的催化性能优于Zn - Co - LDH纳米颗粒和Co₃O₄。为了进一步评估具有不同形态的Zn - Co - LDH的催化性能，计算了它们在不同过电位下的周转频率（TOFs），并将其作为过电位的函数绘制，假设法拉第效率为100％，并且每个钴原子都是OER的活性位点。如图6C所示，在0.4 V的过电位下，Zn - Co - LDH纳米片和Zn - CO - LDH纳米颗粒在KOH（pH = 13.0）电解质溶液中分别达到6.23×10³ s⁻¹和8.79×10⁴ s⁻¹。在0.55 V的过电位下，Zn - Co - LDH纳米片的电流密度比Zn - CO - LDH纳米颗粒高4.1倍。这表明由于活性边缘位点数量的增加和纳米片更高的电子导电性，观察到了更高的活性。采用电化学阻抗谱（EIS）研究了修饰电极的界面性质。通常，高频下的压低半圆与电极表面的电子转移电阻有关。电化学阻抗谱（图S10）证实了Zn - Co - LDH纳米片电极表面的快速电子转移和更快的OER动力学，其法拉第阻抗远低于Zn - Co - LDH纳米颗粒和Co₃O₄。尽管ZnCo₂O₄获得的半圆小于Zn - Co - LDH纳米片，但电化学性能测量证实了Zn - Co - LDH纳米片电极表面更快的OER动力学和更好的OER活性。材料的导电性可能不是电催化性能的唯一指标。Zn - Co - LDH纳米片的良好OER性能可能归因于这种层状材料中足够大的层间间距（层间距离约为0.9 nm）。在这种情况下，所有催化活性的Co物种都被假定存在于反应表面上。这种层间间距将使水分子（反应物，其直径约为0.32 nm）扩散到层间并到达Co位点，进一步促进OER活性。

还在室温下的KOH水溶液（pH = 13）中评估了Zn - Co - LDH纳米片的稳定性，结果如图6D所示。在1.55 V（相对于RHE）的10 h电化学运行期间，电流密度几乎保持不变。因此，Zn - Co - LDH纳米片可以成为具有高活性和强耐久性的有前途的OER催化剂。

总之，我们采用了一种有效的微波辅助方法来合成Zn - Co - LDH纳米片。这种合成过程相对简单，仅涉及金属前驱体和尿素。无需考虑表面活性剂对电催化性能的干扰。这样一种简单有效的方法也可以扩展到大规模生产。通过比较Zn - Co - LDH纳米片与Zn - Co - LDH纳米颗粒的电催化性能，Zn - Co - LDH纳米片显示出更多的催化活性位点，并促进了复合电极的电荷转移。此外，Zn - Co - LDH纳米片对OER表现出更高的活性和更好的稳定性。本文的结果有望为合理设计其他具有地球丰富元素的双材料LDH纳米片用于催化和电催化应用提供新的动力。

我们感谢中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室的Pengcheng Xu对AFM的帮助。我们还感谢国家自然科学基金（no. 61371021和51301101）的支持。