Small:太阳光增强多功能硫化镍纳米片阵列表面析氧反应

电解水是一种获取清洁氢能的有效方式,它对于解决日益严重的环境污染和能源危机具有重要意义,然而由于其涉及多电子转移步骤的阳极析氧反应(OER)动力学较为缓慢,制约了电解水制氢的效率,如何改善析氧反应催化剂的电子转移和传质动力学而进一步提升电催化活性和稳定性是目前面临的主要挑战。近年来人们通常通过调控催化剂的组分和结构来优化提升其催化性能,而如果在电催化过程中,利用绿色清洁能源-太阳能的外场作用实现电催化过程中电子转移和传质动力学的同时增强,势必会简化催化材料结构调控方面的繁琐问题,为电催化制氢领域的进一步发展提供新的助力。目前为数不多的研究主要集中于将光热材料集成到电催化体系中,而由于其中光热组分和电催化活性组分在空间分布上具有不一致性会导致能量利用效率的降低,这种太阳光增强的电催化体系的合理设计仍然是一个巨大的挑战。

中国海洋大学材料科学与工程学院黄明华教授课题组与中科院青岛生物能源与过程研究所合作,通过简单水热法在泡沫铁镍基底上巧妙地构筑了一种同时具有光热转换性能和氧析出电催化活性的多功能硫化镍纳米片阵列,利用其自身光热性能吸收太阳光产生限域热效应,提升了该纳米片阵列的表面微区温度,从而有效促进传质与电子传递,尤其所设计的这种硫化镍纳米片阵列结构所具有的高比表面积和粗糙度,不仅利于催化反应过程中更多活性位点的暴露,而且通过抑制漫反射可以强化太阳光吸收,从而促进了这种多功能材料的光热转换性能与本征电催化活性的同步提升,进而增强了其电催化水分解的催化活性。这种采用单一多功能材料的策略实现了功能区域之间的完美重叠,很好地解决了使用两种不同功能材料带来的相关活性成分空间分布不一致的问题,可以有效提高电极界面的局部温度,进而加快电极表面的析氧反应。在光照条件下,硫化镍纳米片阵列的电流密度在1.55 V vs. RHE时可达492.2 mA cm-2,是无光条件下的2.5倍,并且Tafel斜率低至60 mV dec-1。该研究工作利用太阳能强化电极表面的催化反应,为氢能和太阳能的开发利用提供了一种新思路。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.202002550)上。