昆明理工大学王劲松，郭玉忠教授，CEJ：双管齐下，平衡*H和*OH吸脱附，加速碱性析氢动力学过程

昆明理工大学王劲松，郭玉忠教授，CEJ：双管齐下，平衡H和OH吸脱附，加速碱性析氢动力学过程

科学材料站

2021-04-21

导读：该工作通过阴阳离子共掺杂的方式平衡硫化镍对*H和*OH的吸脱附，加速水的解离步骤，提升碱性HER动力学过程。

文章信息

阴阳离子共掺杂平衡H和OH吸脱附，协同提升碱性析氢反应动力学

第一作者：宋浩然

通讯作者：王劲松*，郭玉忠*

单位：昆明理工大学

研究背景

氢能作为一种高能量密度、清洁高效能源，在缓解能源危机、实现碳达峰、碳中和目标中可发挥重要作用。近几年，通过电解水来制取氢气一直受到国内外研究者的高度关注。

工业电解制氢常采用强碱性电解液，但在碱性条件下水解离释放质子具有较大的能垒，使得碱性析氢反应需要较高的电压。通过合理调控催化剂对*H和*OH的吸附能，能有效降低水的解离势垒，同时保障*H和*OH的快速吸脱附，促进反应持续进行，降低HER的过电势，提高能源转化效率，已成为加快电解水产业化进程的关键技术。

文章简介

基于此，昆明理工大学王劲松和郭玉忠教授在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Synergistic Balancing Hydrogen and Hydroxyl Adsorption/Desorption of Nickel Sulfide via Cation and Anion Dual-Doping for Boosting Alkaline Hydrogen Evolution”的研究文章。

该工作通过阴阳离子共掺杂的方式平衡硫化镍对*H和*OH的吸脱附，加速水的解离步骤，提升碱性HER动力学过程。

图1. （a-c）微观动力学模型分析Co和B掺杂对碱性HER动力学过程影响；Co和B掺杂对（d）*H和*OH吸附能,（e）Ni的d带中心和（f）S的p带中心的影响；（h-j）DFT计算水解离过程势垒。

本文要点

要点一：微观动力学模型分析硫化镍碱性析氢微观动力学过程

采用微观动力学模型发现硫化镍对*OH和*H的吸附作用较弱，导致水的解离势垒较高，Volmer step作为HER的限速步骤。

随着非金属元素B引入，使与之相连的Ni的活性提升，增强*OH的吸附能；进一步引入Co元素，平衡*H的吸脱附，在Co和B协同作用下，Volmer step步骤势垒明显降低，加速水的解离动力学过程。

同时接近热平衡值的*H和*OH吸附能可以实现快速的吸脱附，有效保障HER后续反应步骤的发生，防止催化剂活性位点被*H和*OH占据。

要点二：DFT计算揭示吸附能调控机制

进一步通过DFT理论计算发现，B掺杂提升Ni的d带中心，增强硫化镍对*OH的吸附能；Co掺杂使临近的S原子的p带中心上移，提升*H的吸附能，协同降低水的解离势垒。

要点三：Co和B共掺杂提升硫化镍碱性HER性能

在微观动力学模型和DFT计算指导下，实验制备出Co和B共掺的硫化镍。电化学测试表明掺杂使HER过电势明显降低，10 mA/cm2电流密度下过电势低至35mV；同时HER表现出快速的动力学过程，Tafel斜率降低至52mv/dec。

进一步将其与NiFe-LDH组装为碱性电解槽，仅需1.49V的低电池电压即可提供10 mA/cm2电流密度。在60℃工作条件下，全水解10 mA/cm2电流密度下进一步降低至1.42V。该工作为碱性HER催化剂设计提供了新的方向。

文章链接

Synergistic Balancing Hydrogen and Hydroxyl Adsorption/Desorption of Nickel Sulfide via Cation and Anion Dual-Doping for Boosting Alkaline Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129842