Advanced Energy Materials:电子密度可调节的超薄硫化镍用于高效水分解

氢能被认为是未来最具发展前景的清洁能源之一。相比于传统的化石燃料重整制氢,电解水制氢具有制备的氢气纯度高、易与可再生能源如风能、太阳能联动以及无碳环保等优势而获得了人们的广泛关注。电解水过程涉及阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER),目前活性最高的HER和OER催化剂分别是贵金属铂基催化剂和钌/铱基催化剂,但贵金属的稀缺性和高成本限制了其大规模应用。因此,利用地球富足元素制备高活性的HER和OER催化剂对于电解水技术的发展具有重要意义。尽管目前HER和OER催化剂的研究取得了一定进展,但由于HER和OER的反应机理不同,制备兼具高HER和OER活性的双功能催化剂仍然是一个挑战。

针对上述问题,复旦大学材料科学系吴仁兵课题组采用一种铁掺杂辅助的化学刻蚀法合成出超薄二维硫化镍纳米片作为双功能电解水催化剂。理论与实验证明,通过改变Fe掺杂量,可以有效地调控纳米片的形貌,提升活性比表面积并且使得活性中心电子云密度达到极小值。所合成的Fe0.9Ni2.1S2@NF电催化剂在1.0 M KOH中表现出优异的HER性能,在10 mA cm-2时,HER的过电位为72 mV;其中Ni位点具有最优的氢吸附自由能,是HER的主要活性位点,而Fe的引入导致了Ni的d带中心上移,对HER活性具有显著的提升作用。在OER活性方面,在电流密度100 mA cm−2时,OER的过电位为252 mV;Fe的引入对于降低OER过程决速步能垒具有重要作用。进一步地,以Fe0.9Ni2.1S2@NF为阴阳极组装的全电解池,在1 M KOH中,其达到10 mA/cm-2电流密度仅需要1.51 V,并且在10 mA/cm-2电流密度下能够稳定运行超过100 h。该合成方法用途广泛,还可用于合成其它超薄金属硫化物(如Fe-Cu-S、Fe-Al-S和Fe-Ti-S)。

该项研究有助于加深对碱性条件下HER和OER反应机理的认识,为设计双功能非贵金属催化剂提供了新的思路。相关论文在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001963)上。