日期：
2023-03-11 14:12:39
来源：化学与材料科学收集 编辑：化学与材料科学
析氢（HER）和析氧（OER）是电解水产氢系统中的两个关键反应，其中动力学极为缓慢的OER是电解水制氢的整体成本居高不下的一个重要因素。采用动力学有利的尿素分子电氧化反应（UOR）代替阳极OER是实现低能耗电解水产氢的重要举措之一。然而高效、廉价、稳定的双功能催化剂的设计与制备依旧是催化领域的巨大难题。
为此，中国科学技术大学章根强教授团队采用简单的“N阴离子修饰”策略，即通过N掺杂实现对双相金属硫化物催化位点的特定性吸脱附能力的调节，最终制备的N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF材料展现出HER和UOR催化性能。相关成果以标题“Construction of
nitrogen-doped biphasic transition-metal sulfide nanosheet electrode for energy-efficient
hydrogen production via urea electrolysis ”发表在Small。 图1. 材料N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF的制备流程、形貌和微观结构分析。
如图1所示，作者首先采用电化学沉积法在泡沫镍基底制备出具有均匀二维纳米片阵列结构的无定形硫化钴与氢氧化镍前驱体（Amor-CoSx /Ni(OH)2 /NF）,然后在氨气氛围下进行可控退火处理得到具有多孔结构的N掺杂双相金属硫化物电催化剂（N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF）。 图2. N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF价态结构分析。 通过对氨化和非氨化处理材料的表面元素价态分析，一方面证实了N阴离子的成功引入，另一方面前驱体中部分金属硫化物被还原成相应的金属相分布在材料的表面，这些金属相的存在有助于提高材料与吸附的反应物之间的电子传导能力（图2）。 图3. N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF的UOR和HER性能评估。 图4. N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF在尿素电解液的两电极性能测试分析。 进一步对合成的一系列材料进行了电化学性能测试，在碱性条件下，合成的N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF样品展示出优异的电催化活性与稳定性（图3）。在UOR测试中电流密度达到400 mA/cm2 时仅需1.47 V（V vs.RHE）电极电位，同时在电流密度为10 mA/cm2 时其HER过电势仅为111 mV，其中20 mA cm-2 的电流密度可以分别稳定20 h。在两电极体系下（图4），材料在尿素电解液中表现出明显的节能制氢优势：电流密度为10 mA/cm2 时槽电压仅1.40 V，可以直接由1.5 V的AA干电池直接驱动。 图5. N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF用于HER和UOR理论分析。 图5的密度泛函理论计算表明，N的引入成功调节了材料的d带中心位置，优化了表面对氢中间体的吸附能力，其中N-Co9 S8 /Ni3 S2 /NF中Co位点是HER最佳反应位点（△GH ＊ =-0.37 eV），同时N的引入提高了材料整体对尿素分子的吸附能力，Ni位点具有最低的尿素吸附能（-1.91 eV），有助于后续尿素氧化反应的进行。结合实验和理论计算证明通过N掺杂可以实现对双相金属硫化物特定反应活性位点的调控，使其表现出优异的双功能性能，为杂化电解水制氢催化剂的设计提供了一定指导。 章根强教授 ，中国科学技术大学化学与材料科学学院教授，微尺度物质科学国家研究中心双聘研究员，国家高层次人才计划入选者。分别于2004年和2009年在中国科学技术大学获得学士和博士学位，2009年-2011年于普渡大学化工学院从事博士后研究，2011年-2014年在新加坡南洋理工大学/TUM-CREATE研究中心从事博士后研究，2014年-2016年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事主任学者博士后研究。2016年加入中国科学技术大学，建立能源纳米材料实验室。致力于先进功能纳米材料的优化合成及其在能源器件中的应用研究，近期主要从事的研究方向包括能源存储器件电极材料的应用研究，高性能电催化剂的设计合成和新颖复合纳米结构在能源存储与转换领域中的应用研究，并一直致力于推动相关研究产业化进展。已发表超过100篇SCI科学论文，被引用次数超过1000次，H因子=49。担任Wiley出版社InforMat期刊、SusMat期刊、Nano Research期刊青年编委、国际先进材料学会会士（IAAM Fellow）以及中国材料研究学会先进无机材料分会理事。
化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。