大工侯軍剛Nature Commun：表面重構構筑高活性異質結分解水電催化劑
【研究背景】
電解水生產清潔能源是解決能源問題的一個可行方案。制氫的可持續替代方案是電解水，包括析氫反應(HER)和析氧反應(OER)?。一般來說，貴金屬材料Pt和IrO2/RuO2 分別是用于HER和OER的基準催化劑。然而，由于高成本和稀缺性，貴金屬的應用收到限制。為此，將析氫和析氧活性組分整合構建異質結結構催化劑，并通過兩者的協同效應實現性能的互相增強，可獲得同時具有優異析氫和析氧性能的電催化劑，有助于大幅度降低水分解的過電位，提高水分解的效率。為了應對這些挑戰，催化析氫、析氧和全分解水已經在通過多種催化劑進行，例如氧化物、氫氧化物、磷化物、氮化物和硫屬元素化物。因此，迫切需要為工業應用設計和構筑低成本非貴金屬催化劑。
【文章簡介】
近日，大連理工大學侯軍剛教授等在國際頂級期刊Nature Communications?(影響因子：12.121)上發表題為“Engineering active sites on hierarchical transition?bimetal oxides/sulfides heterostructure array?enabling robust overall water splitting”的研究工作。該工作通過氧化/氫化誘導的表面重構策略制備了分級結構的NiMoOx/NiMoS異質結陣列，其由一維NiOx/Ni3S2納米棒和二維MoOx/Mo2S2納米片組成。所制備的NiMoOx/NiMoS異質結構陣列在電流密度為10mA cm-2時表現出38mV的析氫過電位和186mV的析氧過電位，即使在100和500mA?cm-2的大電流密度下也能長期穩定地工作。密度泛函理論計算進揭示了NiMoOx和NiMoS之間構建的耦合界面促進了H原子和含氧中間體的吸附，從而提高了HER和OER的性能。以NiMoOx/NiMoS異質結構陣列作為陰極和陽極進行雙功能全分解水，發現電流密度為10 mA cm-2時，所需的電壓僅為1.46 V，表現出優異的全解水催化性能。雙電極體系在較低的電位下達到了500和1000mA?cm-2的工業化電流密度，并展現了極好的穩定性。
圖1 流程圖和全分解示意圖
【本文要點】
要點一：制備方法
這項工作采用氧化/氫化誘導的表面重構策略，以鎳鉬體系結構為前驅體，制備了分級結構過渡雙金屬氧化物/硫化物(NiMoOx/NiMoS)陣列，其由二維MoOx/MoS2納米片與一維NiOx/Ni3S2納米棒陣列相互作用而成。
圖2 催化劑表征
要點二：優異性能
受益于異質結構工程，所合成的NiMoOx/NiMoS陣列表現出優異的電催化性能。NiMoOx/NiMoS陣列的電流密度為10、100、500和1000mA cm-2時，其析氫電位為38、89、174和236mV，析氧電位為186、225、278和334mV，并在100和500?mA cm-2電流密度下表現出極好的穩定性。以NiMoOx/NiMoS異質結構陣列作為陰極和陽極進行雙功能全分解水，發現電流密度為10 mA cm-2時，所需的電壓僅為1.46 V，表現出優異的全解水催化性能。雙電極體系在較低的電位下達到了500和1000mA?cm-2的工業化電流密度，并展現了極好的穩定性。
圖3 全分解電解水性能
要點三：密度泛函理論計算表明，NiMoOx和NiMoS之間的耦合界面優化了H原子和含氧中間體的吸附，加速了水分解動力學，從而提高了催化性能。
圖4 理論計算
該研究工作對過渡金屬異質結的精準合成及催化機理進行了深入闡述，為未來制備過渡金屬異質結全水解催化劑的合成與研究提供了新思路。相關結果發表Nature Communications 上，文章的第一作者是大連理工大學翟潘龍，張艷雪，吳運禎, 通訊作者為大連理工大學侯軍剛教授。
【通訊作者介紹】
侯軍剛，大連理工大學精細化工國家重點實驗室教授，博士生導師。入選國家級四青人才和遼寧省興遼英才計劃青年拔尖人才。致力于發展能源催化材料的可控合成與集成組裝方法，建立微納米結構、能帶結構、電荷傳輸與催化性能之間的構效關系，實施光能、電能與化學能之間的高效轉換。至今在Nature Commun.?、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci. (4篇)、Adv. Energy Mater. (6篇)、Adv. Funct. Mater. (4篇)、Nano Energy (5篇)、Appl. Catal. B-Environ (5篇)、ACS Catal.、Small等國際刊物上發表論文90余篇。擔任Journal of Energy Chemistry期刊執行編委。
?本文由作者團隊供稿。
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