第一作者：Hua Zhang
通讯作者：胡广志，夏宝玉
通讯单位：云南大学，华中科技大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100311
开发在安培电流密度下具有高活性和耐久性的非贵金属析氢反应（HER）电催化剂对于新兴的阴离子交换膜（AEM）电解技术至关重要。然而，将其开发为稳定的工艺仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种原子台阶镍钴双金属硫化物（AS-Ni3S2/Co3S4）异质结构，在电流密度为10和2000 mA cm−2时，其过电位分别为28和195 mV，具有优异的HER性能。实验分析和理论计算表明，功函数诱导的界面内置电场驱动电子通过Ni-S-Co界面桥接从Ni3S2转移到Co3S4，有效地加速了水的活化，优化了氢的吸附和解吸。采用AS-Ni3S2/Co3S4异质结构作为阴极的AEM电解槽，电池电压仅需1.71 V和1.79 V，可分别驱动1.0和2.0 A cm−2的电流密度，并且可以连续运行超过1200 h。
由于其高能量密度和无碳排放，高纯度氢被广泛认为是有前途的下一代绿色可再生能源，具有取代化石燃料的潜力。电化学水分解是一项极具吸引力的绿色清洁制氢技术，目前工业上应用的主要是碱性电解（AWE）和质子交换膜（PEM）电解阴离子交换膜。阴离子交换膜（AEM）电解系统是AWE和PEM水电解系统的替代方案，该系统允许使用非贵金属基电催化剂，具有H2纯度更高、电池组件价格低廉、操作安全性更高、设计更紧凑等显著优势。然而，AEM水电解系统的电流密度(1.7-2.4 V，0.2-0.4 A cm−2)明显低于PEM水电解系统(1.8-2.0 V，0.5-2 A cm−2)，并且长期稳定性不理想。为了在AEM电解槽中高效地生产氢气，研究一种用于工业AEM水电解的活性和耐久性的碱性析氢反应（HER）催化剂是研究界的重要任务。
1. 制备的原子台阶镍钴双金属硫化物（AS-Ni3S2/Co3S4）异质结构，在电流密度为10和2000 mA cm−2时，其过电位分别为28和195 mV，具有优异的HER性能。
2. 功函数诱导的界面内置电场驱动电子通过Ni-S-Co界面桥接从Ni3S2转移到Co3S4，有效地加速了水的活化，优化了氢的吸附和解吸。
3. 使用AS-Ni3S2/Co3S4催化剂作为阴极的AEM电解槽，电池电压仅需1.71 V和1.79 V，可分别驱动1.0和2.0 A cm−2的电流密度，并且可以连续运行超过1200 h。
图1. 合成及结构表征。(a)淬火过程中原子台阶界面的形成机理。(b) AS-Ni3S2/Co3S4异质结构的STEM图像和相应的SAED模式(插图)。(c-f) AS-Ni3S2/Co3S4异质结构的AC-STEM图像。(g) AS-Ni3S2/Co3S4异质结构的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素映射。
图2. AS-Ni3S2/Co3S4的电子态和原子配位信息。Ni3S2、Co3S4和AS-Ni3S2/Co3S4的(a) Ni 2p， (b) Co 2p和(c) S 2p的高分辨率XPS光谱。(d, g) XANES光谱，(e, h) k3加权EXAFS光谱，(f, i) FT-EXAFS拟合结果，(j, k) AS-Ni3S2/Co3S4与标样的小波变换(WT)。
图3. 碱性HER性能。(a) AS-Ni3S2/Co3S4、Ni3S2、Co3S4和20wt.% Pt/C的LSV曲线。(b)塔菲尔斜率。(c)所有样品在10、500、1000和2000 mA cm−2电流密度下的过电位比较。(d)先前报道的各种电催化剂的HER性能比较。(e) Ni3S2、Co3S4和AS-Ni3S2/Co3S4的双层电容(Cdl)和(f) 阻抗图(EIS)。(g)不同反应条件下AS-Ni3S2/Co3S4的LSV曲线。(h) AS-Ni3S2/Co3S4在1.0 M KOH溶液中的稳定性测试。(i) AS-Ni3S2/Co3S4在1.0 M KOH +海水电解质中的稳定性测试。
图4. AEM电解槽性能。(a) AEM电解槽示意图。(b) AEM电解槽极化曲线。(c) AEM电解槽在1.0 A cm−2下的稳定性测试。(d)比较先前报道的最先进电催化剂的AEM电解槽的电池电压和能量效率。
图5. 理论计算。(a) Ni3S2/Co3S4异质结构的差分电荷密度和(b)功函数。灰色、蓝色和黄色的球分别代表Ni、Co和S原子。(c) Ni3S2/Co3S4异质结构中的电荷转移过程。(d) Ni3S2/Co3S4异质结构的ELF。(e) Ni3S2、Co3S4和Ni3S2/Co3S4的DOSs。(f) Ni3S2/Co3S4异质界面的典型HER过程。(g) Ni3S2、Co3S4和Ni3S2/Co3S4异质界面的H2O吸附能，(h) H2O解离能，(i) ΔGH*。(j) Ni3S2/Co3S4异质界面上HER增强的催化机理示意图。
综上所述，我们利用高温硫蒸汽结合淬火辅助策略合成了AS-Ni3S2/Co3S4异质结构作为高效的HER催化剂。AS-Ni3S2/Co3S4催化剂在电流密度为10和2000 mA cm−2时的过电位分别为28和195 mV，表现出优异的HER性能。以AS-Ni3S2/Co3S4催化剂为阴极组装的AEM水电解槽，电池电压仅需1.71 V和1.79 V，电流密度分别达到1.0和2.0 A cm−2，并稳定运行1200小时。本文提出的在费米能级附近调整电子密度的策略可以扩展到其他电催化反应和材料体系，促进可持续制氢的工业应用。
H. Zhang, N. Li, S. Gao, A. Chen, Q. Qian, Q. Kong, B.Y. Xia, G. Hu, Quenching-induced atom-stepped bimetallic sulfide heterointerface catalysts for industrial hydrogen generation. eScience (2024).
https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100311
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
