双功能电催化剂MoS2-Ni3S2纳米棒的控制合成及水分解性能

电解水是高效、绿色的制氢途径，是“氢经济”中至关重要的环节。电解水包括析氢（HER）和析氧（OER）两个反应，热力学分解电位为1.23 V。然而，其动力学过电位造成极大的额外能耗，需要采用一定催化剂予以降低。目前，该过程严重依赖贵金属催化剂，如Pt催化剂在HER表现了良好的活性，Ru、Ir金属及其氧化物是最优的OER催化剂。以上贵金属成本昂贵、自然储量低，实际应用受到极大的限制。因此，开发高效、稳定的非贵金属催化剂是目前研究的热点。

图1. MoS₂-Ni₃S₂/NF催化剂的合成示意图

图2. MoS₂-Ni₃S₂/NF催化剂随AHM/NF（钼酸铵与泡沫镍）投料比变化的形貌演变

最近，暨南大学的高庆生研究员与华南理工大学的杨黎春副教授合作，在MoS₂多级纳米结构的前期工作基础上（Adv. Mater., 2013, 25, 1180; J. Power Sources, 2015, 275, 588; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 23741），利用钼酸根阴离子的一维生长习性，通过简单的水热法在泡沫镍上生长MoS₂-Ni₃S₂异质纳米棒（图1）。他们通过改变反应物的比例调控产物的形貌，从而改变活性表面的分布（图2）。在适中的比例下，产物呈现出纳米棒结构：一维Ni₃S₂表面均匀地修饰MoS₂纳米片，形成多级纳米形貌。该结构充分暴露MoS₂-Ni₃S₂异质纳米界面，强化MoS₂与Ni₃S₂的电子相互作用，优化对催化反应中间产物H*和OH*的吸附，提高了催化析氢、析氧的本征活性；同时，一维Ni₃S₂结构有效促进电子传输，而三维多孔的泡沫镍有利于电解质的扩散和气体逸出，提高了传质动力学。因此，在碱性电解质中，MoS₂-Ni₃S₂ 纳米棒表现了优异的HER和OER活性，产生10 mA•cm^-2的电流密度所对应的过电位（η₁₀）分别为98和249 mV，优于已报道的大多数非贵金属催化剂（图3）。将这种结构用于全电解水反应时，在1.5 V的低电压下就能产生10 mA•cm^-2的电流密度，甚至优于商业IrO₂/C-Pt/C催化剂，具有良好的应用前景。

图3. MoS₂-Ni₃S₂/NF的电催化性质表征：（a）电化学活性表面、析氢过电位与合成投料比的变化关系（与图2产物的形貌对应）；（b）1.0 M KOH中的HER；（c）1.0 M KOH中的OER；（d）1.0 M KOH中的全电解水（overall water splitting, OWS）

上述成果近期发表在ACS Catalysis 上。研究工作得到国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、广东省“特支计划”等支持。

该论文作者为：Yaqing Yang, Kai Zhang, Huanlei Lin, Xiang Li, Hang Cheong Chan, Lichun Yang, Qingsheng Gao

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MoS₂−Ni₃S₂ Heteronanorods as Efficient and Stable Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting

ACS Catal., 2017, 7, 2357, DOI: 10.1021/acscatal.6b03192

高庆生研究员简介

高庆生，博士，暨南大学化学与材料学院研究员，博士生导师，兼任第七届广东省化学学会理事、物理化学专业委员会副主任；2005、2010年在复旦大学分别获学士、博士学位，2010年赴德国马普胶体研究所从事博士后工作，2012年7月到暨南大学工作；研究领域包括：金属非氧化物的电化学能源存储/转化应用、精细化学品定向转化催化剂等；主持国家自然科学基金项目2项，作为合作单位负责人参与国基重点项目1项，入选广东省自然科学杰出青年基金，“特支计划”科技创新青年拔尖人才、优秀青年教师培养计划等；在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.和ACS Catal. 等期刊上发表SCI论文40余篇（含ESI高引论文4篇、期刊封面论文6篇），应邀撰写2部英文专著的2个章节，获授权发明专利4项。

杨黎春博士简介

杨黎春，博士，华南理工大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师；2005、2010年分别在复旦大学获理学学士、博士学位；2010年赴德国莱布尼茨固态与材料研究所从事助理研究员工作，2012年7月进入华南理工大学工作；杨黎春博士主要从事电化学能源存储及转化材料的研究；主持国家自然科学基金项目2项、科技部国际合作项目1项，参与国家自然科学基金面上项目1项，是广东省自然科学基金创新团队核心成员、国家自然科学基金创新群体项目成员；目前已在Adv. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Catal. 等期刊上发表SCI论文50余篇，他引总次数超过2000次，5篇论文的单篇引用次数超过100次，4篇论文入选ESI高引论文；获得专利授权2项，参与4本专著中储能材料章节的编写。