林健健教授，CEJ：用于高效水分解的自支撑 FeS/Fe5Ni4S8 异质结构催化剂

第一作者：汪鸿，姜慧敏

通讯作者：林健健

单位：青岛科技大学

随着可再生能源技术的快速发展，氢能被视为未来清洁能源的重要载体。氢气的高效制备，尤其是通过电解水制氢，成为了当前能源领域的重要研究方向之一。电解水制氢技术是通过电能将水分解为O₂和H₂的过程。然而析氧反应（OER）中涉及到四电子耦合转移过程具有缓慢的反应动力学，通常需要较高的过电位才能驱动，是水分解的决速步骤。开发电催化剂对于加快反应动力学和降低过电位至关重要。在这一背景下，基于过渡金属硫化物的电催化剂因其优异的电催化性能、低成本、环境友好性以及良好的催化稳定性，成为了研究的重点。其中，铁硫化物（FeS）和镍铁硫化物（Fe₅Ni₄S₈）因其良好的导电性、丰富的活性位点以及合适的电子结构，成为了开发高效电催化剂的重要候选材料。

近日，青岛科技大学林健健教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Self Supported FeS/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructure Catalyst for Efficient Water Splitting”的观点文章，通过一步溶剂热法实现了 FeS/Fe₅Ni₄S₈异质结构催化剂在泡沫铁表面的原位生长。利用NiFe 与异质界面的快速电子转移动力学之间独特的协同作用共同增强了 FeS/Fe₅Ni₄S₈异质结构催化剂的性能。这项工作不仅拓宽了 NiFe 基催化剂的研究范围，也为异质结构催化剂在电解水中的应用提供了新的见解和方法。

如图1所示，当反应时间为12h时，能够发现纳米球的生长刚刚开始，此时其表面较为平整，材料与电解液的接触面积小，不能有效暴露活性位点。当反应间为18h时，纳米球表面逐渐变得粗糙，纳米颗粒开始堆积，但此时材料暴露的面积不大，进行电催化反应时催化剂和电解液的接触面积仍可以进一步提升。当反应时间增加到24h时，催化剂表面更为粗糙，形成了纳米片堆叠状的纳米花，更好的扩大了催化剂与水的接触面积，同时，纳米片堆叠的形态为电催化提供了更多坚固的活性位点。晶格间距为0.295 nm和0.579 nm的晶格条纹，分别对应于FeS的（100）面和Fe₅Ni₄S₈的（111）面，揭示了FeS/Fe₅Ni₄S₈异质界面的存在，验证了异质结构的形成。

FeS/Fe₅Ni₄S₈异质结构催化剂的XRD图像如图2所示，其衍射峰能与FeS（JCPDS 75-0602）和Fe₅Ni₄S₈（JCPDS 86-2470）的标准卡片对应，从晶体学的角度验证了FeS/Fe₅Ni₄S₈异质结构的形成。如图4 XPS所示，Fe 2p谱图中存在Fe²⁺和Fe³⁺的衍射峰，Ni 2p中同样也出现Ni²⁺ 和Ni³⁺的衍射峰，以及S-O峰的存在，表明催化剂的各个元素价态和合成过程中不可避免的氧化。

在碱性条件下（1 M KOH）， 当电流密度达到10 mA cm^-2时，仅需要181 mV的低过电位，具有极低的Tafel斜率，为23.14 mV dec^-1，在连续进行200h的OER测试后，电流密度仍然能保持稳定，对其进行 1000 次循环伏安测试后，电流密度没有出现明显的下降，表现出了优异的电化学活性和稳定性。对于整体分解水反应，FeS/Fe₅Ni₄S₈异质结构催化剂只需要 1.59 V 的电位即可达到 10 mA cm^-2 的电流密度，超过了商业贵金属催化剂。并且经过200 h 计时电流安培试验后，催化活性没有下降，说明催化剂表现出良好的稳定性。

Self Supported FeS/Fe₅Ni₄S₈ Heterostructure Catalyst for Efficient Water Splitting,