第一作者：Sen Xue
通訊作者：任文才、成會明
通訊單位：中國科學院金屬研究所
研究亮點：
1. 通過簡單的水熱和退火處理，在泡沫鎳上制備了長而致密的MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線。
2. 該材料在大電流密度堿性溶液中表現出優異的性能，穩定性好。
堿性析氫催化劑
氫能作為一種燃燒熱值高、無污染、可再生的綠色能源，不僅有助于解決化石燃料過度使用帶來的環境污染問題，同時還有助于解決未來可能發生的能源危機問題。電解水制氫具有工藝簡單、原料來源廣泛、無污染、氫氣純度高等優點，是最具發展前景的制氫技術之一。然而電解水制氫存在的最大問題是反應過程能耗過高，需要添加催化劑降低反應能壘。
目前，電催化產氫性能最好的材料依然為價格昂貴且儲量有限的貴金屬鉑基催化劑。由于堿性體系析氧反應更容易發生，且相比酸性電解質，堿性電解質對催化劑的腐蝕更小，催化劑的選擇范圍更廣，因此堿性體系電解水更適用于商業化制氫。但是，由于堿性體系析氫反應需要經歷水的活化分解過程，在酸性體系下具有高催化活性的催化劑，堿性析氫性能通常并不理想。此外，目前的析氫催化劑研究主要集中在低電流密度產氫范圍，而大電流密度產氫催化劑的研究相對較少，但其對于氫氣的規模化制備和商業化應用至關重要。因此，開發堿性體系高效穩定的大電流密度制氫非貴金屬催化劑意義重大。
成果簡介
針對以上問題，中國科學院金屬研究所任文才研究員（通訊作者）和成會明研究員（通訊作者）團隊報道了一種高效穩定的堿性體系大電流密度產氫催化劑，MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線-泡沫鎳（MoS2/Ni3S2NW-NF）復合材料。
圖1. MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線-泡沫鎳用于堿性析氫。
要點1. MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線制備及結構表征
采用三維導電泡沫鎳為自支撐電極材料，引入鉬源和硫源構建高活性催化析氫Mo-Ni-S體系，通過水熱反應和退火處理，在泡沫鎳基底上制備得到了細長濃密的MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線。
圖2. MoS2/Ni3S2 NW-NF的制備及形貌表征。(a) 制備過程示意圖；(b-d) 低倍和高倍SEM圖；(e) 納米線直徑分布圖；(f)MoS2/Ni3S2納米線擔載量與文獻報道結果的對比圖。
圖3. MoS2/Ni3S2 NW-NF的結構及組分表征。(a) 暗場相TEM圖；(b) 高分辨TEM圖；(c) 對應的傅里葉變換譜；(d)TEM能譜圖；(e-h) HAADF-TEM模式下EDX元素分布圖；(i) XRD譜；(j-l) XPS譜。
要點2：MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線堿性析氫測試與機制分析
該催化劑在堿性體系下具有優異的大電流密度催化產氫性能，電流密度為500和1000 mA cm?2的過電勢僅需182和200 mV，同時可以在200，500及1000 mA cm?2條件下長時間穩定工作，其電催化產氫性能超過了已報道的眾多催化劑。
圖4. MoS2/Ni3S2 NW-NF的電催化產氫性能。(a) LSV曲線；(b) 塔菲爾斜率曲線；(c) 100 mA cm?2的過電勢及塔菲爾斜率對比圖；(d) 500及1000 mA cm?2的過電勢對比圖；(e) 2000次CV循環測試前（黑線）后（紅線）的LSV曲線對比圖；(f) 200, 500及1000 mA cm?2工作12 h的計時電位變化曲線。
圖5. MoS2/Ni3S2 NW-NF電催化產氫性能機制分析。(a) 電化學阻抗譜；(b) 電容電流與掃速關系曲線；(c) 1 mol L-1 KOH液滴在不同催化劑表面的接觸角對比圖，插圖為對應的光學照片；(d) 不同電流密度區間下催化劑的η/log|j|比值變化。
小結
綜上所述，作者通過調控催化劑的結構及組分，在三維導電泡沫鎳上制備得到了具有高擔載量及高活性的MoS2/Ni3S2同軸異質結構納米線。在水熱反應過程中創新性地引入表面活性劑（P123），調控催化劑形貌，并使異質結構具有高的擔載量，是文獻報道的2.7倍以上，從而顯著增加了活性位點數目。此外，通過后期退火處理，去除了低活性物相，增強了異質結構的催化活性。
該催化劑優異的電催化產氫性能首先來自于MoS2/Ni3S2異質結構之間的協同效應，其次材料良好的導電性、高的電化學活性面積、良好的潤濕性及傳質特性也為其大電流密度產氫提供了強有力的支持。本工作為開發新型大電流密度水分解催化劑以及提高傳統催化劑材料的電催化性能提供了思路。
參考文獻
Sen Xue, Zhibo Liu, ChaoqunMa, Hui-Ming Cheng, Wencai Ren. A highly active and durable electrocatalyst forlarge current density hydrogen evolution reaction. Science Bulletin, 2019.
DOI: 10.1016/j.scib.2019.10.024
https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.10.024
作者簡介
任文才，中國科學院金屬研究所研究員，國家杰出青年科學基金獲得者。主要從事石墨烯等二維材料的制備及其在光電、儲能、復合材料、膜技術等領域的應用研究。在Nature Materials等期刊發表SCI論文130多篇，被SCI引用22,000多次，是材料領域高被引學者；獲授權發明專利40余項（含4項國際專利），2項已產業化。曾獲國家自然科學二等獎（2017，2006）、何梁何利基金科學與技術創新獎、遼寧省自然科學一等獎、中國青年科技獎、中國科學院青年科學家獎等獎項，并入選了科技部創新人才推進計劃中青年科技創新領軍人才和國家“萬人計劃”科技創新領軍人才。
成會明，碳材料科學家，中國科學院院士，發展中國家科學院院士，中國科學院金屬研究所研究員，先進炭材料研究部主任，清華-伯克利深圳學院低維材料與器件實驗室主任。主要從事碳納米管、石墨烯及其他二維材料等低維材料的制備、性能及應用等研究。在國際國內會議上做特邀報告170多次，在國際刊物上發表學術論文650余篇（其中2009-2018年發表的論文中有83篇為ESI高被引論文），被引用7.2萬次，H因子118，是科睿唯安公布的化學和材料兩個領域的高引用科學家之一。曾獲國家自然科學二等獎（2017,2006）、國防科技進步二等獎（2010）、何梁何利科學與技術進步獎（2010）、美國碳學會Charles E. Pettinos獎、德國SGL集團Felcht獎、美國化學會ACSNano講座獎等獎勵。曾任《Carbon》副主編、《新型炭材料》主編，現任《Energy Storage Materials》主編、《Science ChinaMaterials》副主編。
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