一步法自生长构筑晶态-非晶Ni3S2/NiFeOxHy异质纳米片阵列及其协同作用促进析氧反应

第一作者：周宁宁，刘蕊

通讯作者：陈斌*，黄竹林*

单位：合肥学院，中国科学院合肥物质科学研究院

随着能源危机和环境污染问题日益加剧，开发可再生清洁能源刻不容缓。电催化分解水技术作为一种绿色、清洁、可持续的制氢方法，可与其他新能源技术联用，将间隙式、可再生能源转化为氢能源的形式存储。电解水包括析氢反应（HER）和析氧反应（OER），其中OER涉及四电子转移过程，反应所需的过电位大、能耗高，严重限制了电解水整体效率。目前，贵金属Ir/Ru氧化物被公认为是性能最优的OER催化剂。然而，贵金属的稀有性和高昂的成本严重限制了其规模化开发和使用。因此，开发高活性、低成本的电催化剂至关重要。

近日，来自中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所陈斌研究员、黄竹林研究员和合肥学院能源材料与化工学院周宁宁老师合作，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“One-spot autogenous formation of crystalline-amorphous Ni₃S₂/NiFeO_xH_y heterostructure nanosheets array for synergistically boosted oxygen evolution reaction”的研究论文。

该工作提出了一种简便、高效的异质结构工程策略，采用一步水热法在泡沫镍上原位自生长构筑由晶态Ni₃S₂与非晶镍铁羟基氧化物（NiFeO_xH_y）组成的异质纳米片阵列，作为三维自支撑催化剂电极用于高效电解水制氢。与传统“两步法”构筑的Ni₃S₂/NiFeO_xH_y核壳结构相比，该论文提出的“一步法”制备的异质纳米片是由大量超小尺寸的晶态Ni₃S₂和非晶的NiFeO_xH_y组成，二者之间存在大量的异质界面，产生强协同耦合效应，促进电荷转移，加速了电催化反应动力学。同时，自支撑Ni₃S₂/NiFeO_xH_y异质纳米片阵列结构表现出超亲水和高疏气性能，有利于电解液扩散和生成气泡迅速释放，进而促进了OER反应的进行。

测试结果表明，所制备的Ni₃S₂/NiFeO_xH_y异质纳米片阵列电极在碱性电解液中具有超高的OER活性，100 mA cm^-2电流密度时，过电位仅为243 mV，大电流密度区间的Tafel斜率仅为79.8 mV dec^-1。此外，作为双功能电催化剂，在工业电解水条件下（85 °C，6 M KOH），仅需要1.32 V电压即可驱动10 mA cm^-2电流密度的全水解反应。该研究工作为面向工业应用的高活性、低成本电催化剂的制备提供了新的设计思路。

研究人员通过简单、高效一步水热法合成了晶态Ni₃S₂耦合无定形NiFeO_xH_y异质纳米片阵列。XRD和Raman结果表明，所制备的纳米片由晶态Ni₃S₂和非晶态NiFeO_xH_y组成。SEM显示Ni₃S₂/NiFeO_xH_y呈现超薄褶皱的纳米片结构，具有超高的比表面，且缩短了电子传输路径；同时，自支撑纳米片阵列结构表现出超亲水性和疏气性，有利于电催化过程中电解液的渗透和气泡的逸出。另外，TEM中观察到超薄纳米片存在大量晶态Ni₃S₂的晶格条纹及非晶态NiFeO_xH_y的无序缺陷，这种独特的纳米片内异质结构可产生低配位的界面活性位点以及强协同耦合效应，加速催化反应动力学。

Ni₃S₂/NiFeO_xH_y催化剂在1 M KOH电解液中具有显著的OER活性，驱动50、100 mA cm⁻²的电流密度时，过电位分别仅需209和243 mV，远低于商业IrO2/C催化剂（406 mV 和 455 mV）。同时，Ni₃S₂/NiFeO_xH_y催化剂在100 mA cm⁻²附近的大电流密度区域，Tafel斜率仅为79.8 mV dec⁻¹，表现出更快的OER反应动力学。

研究人员以Ni₃S₂/NiFeO_xH_y异质纳米片阵列电极为阴极和阳极组装的电解槽，在1 M KOH 电解液中驱动10 mA cm^-2的全水解反应仅需要1.53 V的电压，全电解水性能优于商业贵金属Pt/C@IrO2/C。特别是，在模拟工业电解水条件下（85 ℃，6 M KOH电解液），所制备的Ni₃S₂/NiFeO_xH_y异质纳米片阵列电极仅需要1.32 V电压就可驱动10 mA cm^-2的电流密度，全电解水性能远优于工业电解水常用的雷尼镍电极。得益于自支撑一体化的纳米片阵列结构，Ni₃S₂/NiFeO_xH_y电极在1 M KOH电解液100 mA cm^-2高电流密度条件下，表现出优异的长期稳定性。

One-spot autogenous formation of crystalline-amorphous Ni₃S₂/NiFeO_xH_y heterostructure nanosheets array for synergistically boosted oxygen evolution reaction

陈斌 研究员简介：中科院固体物理研究所研究员、博士生导师。2015年获得中国科学院大学博士学位。2016年至2019年，在韩国浦项工科大学从事博士后研究。2019年至今，在中科院固体物理研究所工作。长期从事光电功能纳米材料的设计合成与性能优化研究。近年来在Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. A等能源环境国际期刊发表SCI论文30余篇，被引用1000余次，授权发明专利10余件。担任《粉末冶金与材料科学工程》期刊编委。入选中科院人才引进计划、安徽省高层次人才引进计划等。

黄竹林 研究员简介：中科院固体物理研究所研究员。2011年在中科院固体物理研究所获得博士学位，并留所工作，曾在美国西弗吉尼亚大学访问交流1年。近年来主要从事环境敏感纳米材料与隔防热材料相关的科研工作。迄今已在Adv. Mater. 等刊物发表50余篇论文，被引用2000余次，授权发明专利30余件，起草相关产品企标和测试大纲。入选中科院青促会会员，获国家基金委优秀青年基金资助，曾获得安徽省自然科学奖一等奖（R4）。

周宁宁 简 介：合肥学院能源材料与化工学院讲师。2017年获得中国科学技术大学博士学位。近年来主要从事环境能源纳米材料的构筑及其性能优化相关的科研工作。在Sens. Actuat. B: Chem.、ACS Sens.、Surf. Coat. Tech.等期刊发表SCI论文10余篇，授权发明专利5件。

刘蕊：合肥学院材料科学与工程专业硕士研究生。

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