Ni-MoS2/SM 电催化分解水：高效制氢与节能新突破

Ni-MoS2/SM 电催化分解水：高效制氢与节能新突破

【强调】

（1）Ni-MoS2/SM仅需 0.35 V 即可将 SOR 驱动至 10 mA cm−2，并表现出良好的耐硫性。

（2）DFT结果表明，在MoS2纳米粒子上引入Ni不仅提高了OHad的吸附，而且阻止了OHad和Had的复合，协同提高了HER的速率。此外，还优化了中间体（S*和S2*）的吸附，降低了能垒，提高了S的催化转化率。

（3）基于Ni/MoS2的HER+SOR系统在10 mA cm−2时仅需要0.49 V，实现接近100%的制氢效率，每千瓦时能耗比OER+HER系统降低61%。

【研究背景】

电催化水分解是一种可持续、清洁的制氢方法。析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是实现高效电催化水分解的关键。但阳极OER动力学缓慢，需要电位高、能耗高，且O2的附加值不高。与提高OER催化活性相比，用更高效的反应取代OER，构建新的水电解体系是更好的策略。硫化物氧化反应（SOR，S2−→S↓+2e−）作为替代硫化物还原技术，具有节能环保、成本低、可控性好等优点，更有利于实现这一目标。此外，耦合HER和SOR构建的水电解体系可以降低能耗、提高制氢效率，并转化和回收有毒硫化物。然而，设计和构建实现高效SOR和HER的双功能催化剂仍然极具挑战性。

另一方面，在碱性HER过程中，通常存在两种反应途径：-Tafel步骤或-Tafel步骤。在改善碱性HER整体动力学方面，许多已报道的工作集中在优化H2O的解离能或Had的吸附能（ΔGH），而对OH−和OHad的关注较少，对HER动力学过程的认识尚无共识。因此，有必要研究OHad对HER动力学的影响。对于SOR，电催化剂易被硫离子毒化，这是限制其适用性的最大因素，也是我们提出的SOR+HER模式必须克服的难点之一。

【文章简介】

近日，西南大学包淑娟课题组在高水平期刊发表题为“MoS2-H2O2纳米Ni材料”的研究成果。

电催化制氢和硫离子（S2−）回收是促进制氢和环境污染物处理的有效策略。在电化学硫氧化反应中，电催化剂易被S2−毒化。MoS2作为一种耐硫性和制氢性能良好的催化剂，是双功能催化剂的优秀候选者。但MoS2水解离动力学较慢，暴露的活性位点不足，要提高其利用价值必须对其进行改性。理论计算表明镍对OHad和硫中间体有很强的吸附能力。因此，本研究作者采用一种简便易行的电沉积技术将纳米Ni组装到MoS2纳米片上，实现纳米Ni对MoS2的功能化，用于硫化物氧化反应（SOR）辅助节能制氢。 实验与理论计算结果表明，将纳米Ni锚固在高比表面积的MoS2纳米片上，不仅可以优化催化剂对多硫化物的吸附，还可以通过优化OHad的吸附来加速HER动力学，从而大大提高对SOR和HER的催化性能。基于Ni/MoS2的HER+SOR体系实现了接近100%的制氢效率，而每千瓦时耗电量仅比OER+HER体系节省61%。

【图片欣赏】

图 1. Ni-MoS2 的形态和结构特征。

利用Ni2+与带负电荷的MoS2之间的静电相互作用，Ni2+被还原并有效地电沉积在薄而连通的MoS2纳米片上。EDS表明Ni纳米颗粒很好地分散在MoS2纳米片表面。XPS进一步表明MoS2与Ni之间发生了强烈的电子耦合，进一步提高了Ni-MoS2的电催化活性。

图2. 析氢性能和电化学硫氧化性能。

Ni-MoS2/SM的LSV曲线和Tafel曲线斜率值表明Ni的引入增强了电催化剂的本征活性和HER解离动力学。在我们的实验中，电化学双层电容的数据表明Ni和MoS2之间的界面可以提供更多的活性位点。

对于OER，Ni-MoS2/SM电极需要1.51 V才能产生10 mA cm-2的电流密度。添加Na2S后，Ni-MoS2/SM电极表现出较高的SOR催化活性，仅需0.35 V就能达到SOR过程所需的10 mA cm-2，并且其Tafel斜率和Rct低于Ni/SM和MoS2/SM。

图 3. Ni-MoS2/SM 的 SOR 和 HER 机理研究。

碱性SOR活性可归因于Ni/MoS2界面的协同效应：（1）Ni与MoS2中S的强结合能降低了S2-转化为S*和S*转化为S2*的能垒。（2）纳米Ni与MoS2的相互作用进一步改善了中间体（S*和S2*）的吸附及其随后的解吸。

碱性HER活性的增强可归因于Ni/MoS2界面的协同效应：（1）纳米Ni为OHad的吸附提供了活性位点。（2）在纳米Ni的帮助下，促进了H*中间体的吸附和随后的H2在催化剂的Mo位点上的脱附。

图4.基于双功能Ni-MoS2/SM催化剂耦合的SOR+HER体系。

与水分解HER+O​​ER体系相比，基于Ni/MoS2的HER+SOR体系实现了低成本可持续制氢，系统在10 mA cm−2电流密度下仅需0.49 V的低电压，每千瓦时电能消耗仅比OER+HER体系少61%。此外，SOR+HER体系中的Ni-MoS2/SM电极在超过100小时的测试中性能稳定。

刘帆,蔡洋,汤刘,陈董,徐谭,鲍,纳米Ni-MoS2-H2的合成及应用,& .

关于作者

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士后，美国德克萨斯大学奥斯汀分校访问学者。从事纳米材料及其光电/生物催化等研究。主持国家自然科学基金项目5项，省市自然科学基金项目4项，其他项目10余项。在Adv. Mater.、Adv. Func. Mater.、Angew. Chem.、Appl. Catal. B-.等学术期刊上发表SCI学术论文230余篇，他引1.1万次，H-index 56，其中6篇入选1%影响力文章。入选美国斯坦福大学发布的2022年全球前2%科学家名单（World's Top 2% 2022）。申请专利10项，已授权5项。

谭洋洋2022年6月毕业于福州大学，获材料学博士学位。长期从事功能纳米材料的合成及其在电化学储能与转化中的应用研究，包括（1）燃料电池阴极催化剂的设计合成及相关电催化反应研究；（2）水电解制氢制氧催化材料的设计合成及应用研究。在石墨烯基、MOFs基及贵金属纳米材料的设计合成、催化动力学参数的确定以及催化剂种类、结构、形貌、组成与性能的关系等方面具有良好的工作基础，积累了丰富的研究经验。目前已在能源、材料、化学等期刊发表第一作者论文8篇（总第一），专利3项，其他作者论文十余篇，包括Nano,:, & Nano, of A, of Power等。

刘帆，2020年于暨南大学获得工学硕士学位，导师为刘宏教授、周为嘉教授。现为西南大学材料与能源学院博士生，导师为包淑娟教授。主要研究方向为水电解制氢催化材料的设计、合成及应用研究。已发表第一作者和合作作者SCI论文3篇（Nano、Acta和），合作作者发表SCI论文15篇，授权专利1项，主持项目1项。