何春年、陈彪Angew.：水溶性盐模板限域合成，让纳米片/三维多孔网络 “随心定制”，赋能电化学能源转化！

第一作者：周静雯，程奕豪

通讯作者：陈彪*，何春年*

单位：天津大学，香港大学

二维纳米材料凭借独特的电子结构、各向异性的传质传电特性以及超高的表面体比，成为电化学储能与转化领域的核心研究方向，其品类涵盖石墨烯、过渡金属硫化物、MXenes、硼烯等（图1a），2004至2023年相关研究发表量大幅增长，多国成为该领域研究主力（图1b），在锂电池、超级电容器、电催化等场景中应用潜力显著。空间维度是决定其电化学性能的关键，二维单分散纳米片活性位点丰富，三维互连结构可解决纳米片自堆叠、离子传输受阻问题，二者均为实现材料最优性能的必要结构。但传统制备方法存在明显局限，自上而下与自下而上法各有短板，难以兼容合成表面状态相似的二维/三维结构纳米材料（图1c）。在此背景下，水溶性盐模板合成法应运而生，该方法可人工精准调控均质纳米片的二维/三维空间结构，还能定制材料多方面特性，借助二维表面或三维界面模板效应制备产物，水洗即可去除盐模板（图1d），且自2013年首次应用后相关研究持续推进，已成功制备出多种二维纳米片与三维纳米复合材料，成为突破这一制备难题的关键技术，也为电化学储能与转化用先进纳米材料的设计和规模化制备开辟了全新路径。

近日，来自天津大学材料学院纳米及复合材料团队何春年教授、陈彪副教授等基于在水溶性盐模板法近13年来的研究成果，系统总结了水溶性盐模板合成法（SSTS）在制备具有可调二维/三维结构的纳米片方面的核心技术、调控机制及其在电化学储能与转化领域的应用现状，同时深入剖析了该技术当前面临的挑战，并展望了未来的研究方向。相关成果已发表在Nature communication（1篇)，Advanced Materials（3篇), Angewandte Chemie International Edition（3篇), ACS Nano（3篇)等期刊上，3篇论文引用>500次，荣获天津市自然科学一等奖，并在国际知名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上发表题为“Soluble-Salt-Template Synthesis of Nanosheets With Tunable Two-/Three-Dimensional Architectures for Electrochemical Energy Storage and Conversion”的综述文章。

该方法的制备分为两大关键步骤：一是盐@前驱体单元的构建，包含直接涂覆和溶解-沉淀重构两种方式，其中后者通过冷冻干燥、反溶剂沉淀等四种干燥技术实现，是维度调控的核心；二是前驱体的热诱导转化，分为内场转化（常规热解、化学气相转化辅助热解）和外场辅助转化（应力场、电场等）。不同的转化方式适配不同的材料性能与制备需求，工艺参数直接影响产物的微观结构与宏观特性。

该方法实现结构调控的核心是空间限域效应。盐@前驱体单元的尺寸决定材料的二维/三维维度：单元尺寸≤5 μm时可形成三维自组装体，＞10 μm时仅能制备二维纳米片；盐的种类主导孔结构调控，不同水溶性盐可实现微孔、介孔、大孔及多级孔的精准定制。空间限域效应具体表现为三种形式：表面晶格约束、热膨胀自挤压、外场应力传递，三者的叠加作用可细化材料组分尺寸、增强界面结合，甚至实现自支撑三维网络的制备。同时，盐模板的回收利用能大幅降低生产成本，为工业化奠定基础。

该方法制备的材料主要分为单组分纳米材料与碳负载复合材料两大类。单组分材料包括裸三维碳、杂原子掺杂碳、三维-一维杂化碳及高结晶度的过渡金属二硫化物/氧化物（TMDs/TMOs）纳米片；碳负载复合材料为核心体系，第二相组分包括0D金属/合金/高熵化合物纳米颗粒、1D碳纳米管、2D TMDs纳米片，还可制备单原子催化剂与多维异质结等特殊结构。材料结构与成分的多样性可满足不同电化学应用场景的需求。

通过该方法制备的二维/三维纳米材料已广泛应用于碱金属离子电池、锂硫电池、金属-气体电池、碱金属电池、超级电容器、电催化等领域。二维与三维结构各有适用场景：二维纳米片具有较高的振实密度，适合作为碱金属离子电池电极材料；三维互连网络则具有更大的比表面积和更高效的离子/电子传输能力，在锂硫电池、超级电容器与电催化中表现优异，可有效提升器件的容量、循环稳定性与催化效率。

图8水溶性盐模板法所制备的二维/三维纳米材料在储能与能量转换中的应用。

图9提出的关于水溶性盐模板合成法（SSTS）在未来研究中值得深入探讨的四个关键方面。

Soluble-Salt-Template Synthesis of Nanosheets With Tunable Two-/Three-Dimensional Architectures for Electrochemical Energy Storage and Conversion

1. A Universal Cross-Synthetic Strategy for Sub-10 nm Metal-Based Composites with Excellent Ion Storage Kinetics. Advanced Materials, 2023, 35(52), 2307209. 10.1002/adma.202307209
2. A Top-Down Strategy toward SnSb In-Plane Nanoconfined 3D N-Doped Porous Graphene Composite Microspheres for High Performance Na-Ion Battery Anode. Advanced Materials, 2018, 30(9), 1704670. 10.1002/adma.201704670
3. Fabrication of Nanocarbon Composites Using In Situ Chemical Vapor Deposition and Their Applications. Advanced Materials, 2015, 27(36), 5422. 10.1002/adma.201501493
4. Room-Temperature Salt Template Synthesis of Nitrogen-Doped 3D Porous Carbon for Fast Metal-Ion Storage. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 63(1), e202316116. 10.1002/anie.202316116
5. High-Pressure-Field Induced Synthesis of Ultrafine-Sized High-Entropy Compounds with Excellent Sodium-Ion Storage. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63(27), e202401238. 10.1002/anie.202401238
6. Carbon-Encapsulated Fe3O4 Nanoparticles as a High-Rate Lithium Ion Battery Anode Material. ACS Nano, 2013, 7, 5, 4459. 10.1021/nn401059h
7. Graphene Networks Anchored with Sn@Graphene as Lithium Ion Battery Anode. ACS Nano, 2014, 8, 2, 1728. 10.1021/nn406105n
8. 2D Space-Confined Synthesis of Few-Layer MoS2 Anchored on Carbon Nanosheet for Lithium-Ion Battery Anode. ACS Nano, 2015, 9, 4, 3837. 10.1021/nn506850e

陈 彪：天津大学材料学院英才副教授，博导，在赵乃勤、何春年和何芳教授领衔的纳米及复合材料团队。天津大学获得本硕博，导师为赵乃勤教授，合作导师为乔世璋院士，博士后合作导师为成会明院士和周光敏副教授。主要从事退役电池再生循环（回收重组为原子分散金属催化剂、电极材料修复和电池器件修复）研究，担任Journal of Materials Science期刊副主编，主持了中国科协青年托举人才项目、国家自然科学基金等项目。以第一作者和通讯作者身份在Prog. Mater. Sci., Chem. Soc. Rev., PNAS., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater (6篇)., Angew. Chem. Int. Ed (6篇)., Environ. Energy. Sci.,等国际知名期刊发表SCI论文四十余篇，总被引次数7000余次，H-index为49。荣获天津市自然科学一等奖（6/10）、天津市优秀博士学位论文，担任国家自然科学基金委流动业务主管。