兰州大学席聘贤教授研究组Adv. Funct. Mater.：氧硫异质界面的定向构筑，三维外延结构的“春风十里”

考虑到能源和环境所面临的严峻问题，高效环保的电催化水分解已经引起人们广泛的关注。发展水全分解的设备最关键的是发展高效的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）双功能催化剂。基于HER和OER这两个半反应动力学和热力学迟滞的现象，大多数催化剂都需要克服很大的过电位来满足水全分解的实际化应用。由于常用的HER催化剂铂（Pt）和OER催化剂铱（Ir）或钌（Ru）稀有且昂贵。催化剂大规模使用的需求进一步推动了非贵金属催化剂的广泛研究。所以，设计催化剂最重要的是发展高活性的催化剂来降低反应所需的过电位。合理设计催化剂非常重要，兰州大学的席聘贤教授（点击查看介绍）设计了纳米尺寸异质结催化材料N-NiMoO₄/NiS₂纳米线/纳米片。

作者采用“先氮化再硫化”的方法，选择ABO₄特殊的晶格结构作为研究的结构模型。基于Ni基催化剂与Mo基催化剂在催化OER和HER的过程中都表现出良好的催化性能，他们选择NiMoO₄晶体结构进行研究，对NiMoO₄母体直接进行高温氮化，发现生成完全的氮化物物相，即MoN和Ni₃N；而对母体直接硫化则生成完全硫化物，即NiS₂和MoS₂，但这样处理并没有达到定向硫化的目的。由于元素Ni的本征活性大于元素Mo，且在ABO₄结构中，Ni处于八面体位点，而Mo处于四面体位点，所以在NiMoO₄晶体结构中元素Ni比元素Mo更加的活泼。NiMoO₄模型为表面光滑的纳米线结构，在580 ℃高温氮化生成表面颗粒化的氮化物，直接硫化则生成完全硫化的纳米片结构；当在温和的条件下进行氮化，保护Mo活化Ni，进而硫化的过程中，可成功实现Ni的定向硫化，且生成的NiS₂纳米片以类似螺旋形形态包覆在NiMoO₄母体上。可控硫化物NiS₂-母体间形成大量界面，该界面的存在可促进电子转移，提高导电性，降低H⁺与OH^-根的吸附能。

在该工作中，作者实现了一维纳米线与二维纳米片的完美构筑，得到三维异质结构，其在催化水分解的过程中表现出优异的超疏气性能，表现出良好的水全分解催化性质。该三维异质结构材料组装成的水全分解装置在室温下只需要1.60 V的电压就可以达到10 mA•cm^-2的电流密度，该数值只比水的理论分解电压（1.23 V）高370 mV。而当温度升高到45 ℃和65 ℃时，其分解电压降低为1.55 V和1.50 V，表现出良好的动力学和热力学特征，且相比于贵金属Pt-Ir体系，N-NiMoO₄/NiS₂-N-NiMoO₄/NiS₂水分解体系具有长时间的稳定性，循环500圈以后，其电流密度仅损失了5.06%。以上数据证明外延异质界面N-NiMoO₄/NiS₂纳米线/纳米片具有优异的水全分解性能，具有取代贵金属作为双功能催化剂的潜能，从而服务于水全分解设备。

去合金法是大家常用的“自上而下”的合成手段（top-down strategy），对一种或多种元素进行选择性氧化或去除，席聘贤教授课题组主要研究硫化物，结合这个认知，他们设想是否可以用相似的手段对某种金属进行选择性硫化。为此，基于ABO₄特殊的结构以及Ni基催化剂与Mo基催化剂在催化OER和HER过程中都表现出良好的催化性能这一认知，他们合成了NiMoO₄晶体结构作为研究模型，来解决在不破坏晶体结构的前提下实现选择性硫化的目标。

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者为兰州大学的博士研究生安丽。

该论文作者为：Li An, Jianrui Feng, Yu Zhang, Rui Wang, Hanwen Liu, Gui-Chang Wang, Fangyi Cheng, and Pinxian Xi

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Epitaxial Heterogeneous Interfaces on N-NiMoO₄/NiS₂ Nanowires/Nanosheets to Boost Hydrogen and Oxygen Production for Overall Water Splitting

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1805298, DOI: 10.1002/adfm.201805298

席聘贤教授简介

席聘贤教授2005年7月本科毕业于兰州大学化学化工学院应用化学专业，2010年12月在兰州大学化学化工学院获得无机化学博士学位，在此期间于2009年到2010年在美国布朗大学以联合培养的身份从事博士研究工作；2011年至今在兰州大学化学化工学院从事无机化学教学和科研工作；研究方向为无机功能纳米材料的控制合成及其在能源催化方面的应用研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11230