西南大学包淑娟教授&浙江大学张漩研究员Small：在3D泡沫结构上原位快速构建Ni3S4/FeS催化剂实现大电流密度下稳

第一作者：谭萍萍

通讯作者：包淑娟*，张漩*

单位：西南大学，浙江大学

化石能源的使用伴随着大量的二氧化碳排放，直接导致温室效应的形成，如何减少碳排放是亟待解决的问题。氢能是化石燃料能源的理想替代品，电解水制氢是一种可行的制氢方式。电解水阳极半反应（OER）的能垒较高，动力学过程缓慢，造成极大能源浪费。开发高活性和高稳定性的OER催化剂是电解水制氢工业生产中一个严峻的挑战。目前，丰富的过渡金属基催化剂，例如镍基催化剂，由于成本低廉而被广泛用作碱性电解水催化剂，这些催化剂的电化学性能受活性位点的本征活性以及数量的制约，无法满足生产的需要。如何获得丰富的高催化活性的过渡金属基催化剂，是一个值得研究的课题。

近日，西南大学包淑娟教授与浙江大学张漩研究员合作，在国际知名期刊Small上发表题为“In Situ Fast Construction of Ni₃S₄/FeS Catalysts on 3D Foam Structure Achieving Stable Large-Current-Density Water Oxidation”的研究文章。该研究首次利用阳极电沉积法，原位快速构建了表面高Ni³⁺含量的Ni₃S₄/FeS催化剂。Ni₃S₄/FeS异质结构和电化学诱导的NiOOH共同增强了OER动力学。Ni₃S₄/FeS@FNF显示出最优异的OER活性，塔菲尔斜率仅为11.2 mV dec^-1，在10 mA cm^-2和1400 mA cm^-2的电流密度下，过电势分别为196 mV和445 mV。此外，Ni₃S₄/FeS@FNF可以在1500 mA cm^-2的电流密度下稳定运行200小时，性能没有明显下降。总之，这项工作通过阳极电沉积策略显著提高了镍基OER电催化剂中高活性Ni³⁺的含量。这种简单高效的阳极电沉积方法对于合成富含高价金属离子的材料具有普遍性和指导意义，有望在其他领域得到广泛应用。

利用阳极电沉积法，在工作电极泡沫FeNi上原位构筑一层Ni₃S₄/FeS纳米花状异质结材料，制备过程仅需10 min。XRD与Raman图谱显示Ni₃S₄/FeS的成功制备，TEM中可以清晰的看到Ni₃S₄和FeS界面，EDS显示所有元素均匀分布。原位生长的催化剂避免了粘结剂的使用，可以更大程度的暴露出活性位点。此外，催化剂与基底附着力强，即使在大电流密度下，气泡的强烈冲击中仍然保持稳健，不易脱落。这是Ni₃S₄/FeS@FNF稳定性能优异的根本原因。

与其他催化剂相比，Ni₃S₄/FeS@FNF催化剂表现出非常优异的析氧性能。最低的塔菲尔斜率（11.2 mV dec^-1）以及在低电流密度和高电流密度下均表现出最低的过电势（10 mA cm^-2时为196 mV，1400 mA cm^-2时为445 mV），表明反应过程中动力学有所改善。此外，该催化剂表现出优异的长期稳定性，在1500 mA cm^-2的大电流密度下持续工作200小时性能没有明显下降。Ni₃S₄/FeS@FNF优异的电催化活性和耐用性，使其成为OER中有前途的候选者之一。

采用X射线光电子能谱（XPS）研究了Ni₃S₄和Ni₃S₄/FeS中Ni³⁺的比例以及Fe掺杂对镍基催化剂的影响。不同的沉积电位会影响Ni³⁺的含量，Fe的引入会进一步促进Ni³⁺的形成。Ni₃S₄/FeS@FNF中Ni³⁺/Ni2+的比例远高于文献中所报道的富含Ni³⁺的材料。富含高OER活性的Ni³⁺，是Ni₃S₄/FeS@FNF电化学性能优异的主要原因。

Ni₃S₄/FeS@FNF经过OER测试后的XPS表征和原位Raman测试揭示了从Ni₃S₄到NiOOH的电化学重构。DFT计算证明Fe的引入使得Ni 2p向低结合能方向移动，d带中心降低，从而增强了催化剂的导电性。此外Fe的引入还能抑制NiOOH的溶解高达7倍。

阳极电沉积法原位生长的自支撑电极有很多优点：调控金属离子的价态；无需使用粘结剂，不会掩盖活性位点；催化剂与基底结合牢固，可以实现大电流密度下稳定运行；操作简单，耗时短；重现性高，可批量生产等。因此，阳极电沉积法有望推广至制备其他高价金属离子（如Fe、Co），并获得稳定性优异的催化剂，应用到实际生产中。

In Situ Fast Construction of Ni₃S₄/FeS Catalysts on 3D Foam Structure Achieving Stable Large-Current-Density Water Oxidation.

包淑娟：教授，博士生导师。兰州大学博士，新加坡南洋理工大学博后，美国得州大学奥斯汀分校访问学者。从事纳米材料构筑及电化学界面研究。在Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Angew., Chem., Appl. Catal. B-Environ.等学术期刊上发表SCI学术论文230余篇，他引1.24万次，H-index 为58，多篇入选“ESI高被引论文”。主持国家自然基金5项，省部级项目4项, 其他项目10余项。目前在读博士3人，硕士10人。

张漩：研究员，博士生导师，荷语鲁汶大学(KU Leuven)博士。从事电沉积和多孔材料相关研究，并以此为基础涉及电催化、电化学储能器件、纳滤膜、和纳米材料合成等方面的研究工作。在Matter, Chemical Society Reviews、Angew. Chem. Int. Ed、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Nano energy 和 Energy Storage Materials等著名国际期刊发表论文70余篇，多篇入选为“ESI高被引论文”。H-index 为30。课题组学术氛围浓厚，师生关系融洽，课题组经费充足、仪器设备齐全，实验室环境优良，现有博士后，科研助理，助理研究员等多个岗位空缺，欢迎感兴趣的同学加入（重点招收方向：MOFs，电池隔膜、固态电解质和转化型正极材料等相关方向）。

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谭萍萍:硕士毕业于西南大学材料与能源学院，现就读于比利时荷语鲁汶大学，主要研究方向是电催化。