木士春/寇宗魁/John Wang Adv. Energy Mater.：調(diào)變氫析出活性位點
王鵬彥等 科學材料站 2022-01-17
文 章 信 息
硫化鎳中陽離子Ni到陰離子S的活性位點反轉(zhuǎn)確保更有效的堿性氫產(chǎn)出
第一作者：王鵬彥，王婷婷
通訊作者：寇宗魁*，木士春*，John Wang*
單位：武漢理工大學，新加坡國立大學
研 究 背 景
由可再生能源驅(qū)動的電解水是一種有前景的產(chǎn)氫途徑，其中的陰極析氫反應（HER）是決定轉(zhuǎn)換效率的關鍵。硫化鎳材料在HER催化中被廣泛關注，且金屬鎳一般被認為是HER的活性位點，因此，如何進一步提升硫化鎳材料的HER活性并實現(xiàn)活性位點的反轉(zhuǎn)保有挑戰(zhàn)。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學的木士春教授、寇宗魁教授與新加坡國立大學的John Wang教授合作，在國際知名期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表題為“Swapping Catalytic Active Sites from Cationic Ni to Anionic S in Nickel Sulfide Enables More Efficient Alkaline Hydrogen Generation”的研究文章。該文章通過構筑基于硫化鎳的分級結(jié)構實現(xiàn)了從陽離子Ni到陰離子S的活性位點反轉(zhuǎn)，并探究了在HER及OER、電解水中的催化活性。
本 文 要 點
要點一：構筑硫化鎳基分級結(jié)構
通過水熱后硫化的兩步法制備了NiS2/NiS2-NiS分級結(jié)構。XRD、FESEM、HRTEM、STEM、EDX mappings等表征說明硫化處理過程中泡沫鎳被硫化為NiS2-NiS異質(zhì)結(jié)構，同時表面負載有納米花狀的NiS2，從而形成了分級結(jié)構。
圖1. NiS2/NiS2-NiS分級結(jié)構的合成示意圖及結(jié)構表征。
要點二：分級結(jié)構呈現(xiàn)出出色的HER催化活性
受益于豐富的活性位點、出色的固有活性及有利的動力學，NiS2/NiS2-NiS在堿性介質(zhì)中呈現(xiàn)出出色的HER活性，能在55 mV的低過電位下輸出10 mA cm-2的電流密度。
圖2. NiS2/NiS2-NiS電極的HER活性探究。
要點三：密度泛函理論（DFT）計算驗證活性位點反轉(zhuǎn)DFT
計算結(jié)果表明NiS2/NiS2-NiS分級結(jié)構構筑有利于提升電子導電性，且能誘導電子從Ni位點到S位點的轉(zhuǎn)移。氫吸附吉布斯自由能、水吸附和水解離的計算結(jié)果表明，不同于NiS2和NiS2-NiS中Ni是活性位點，NiS2/NiS2-NiS分級結(jié)構中S位點呈現(xiàn)出更優(yōu)的吸附能和更小的水解離能壘，從而實現(xiàn)了活性位點的反轉(zhuǎn)。
圖3. 不同模型的HER動力學研究。
要點四：分級結(jié)構呈現(xiàn)出出色的OER、電解水催化活性
NiS2/NiS2-NiS在堿性介質(zhì)中同樣呈現(xiàn)出優(yōu)異的OER和電解水催化活性。在OER過程中，表面會經(jīng)歷氧化并形成無定形NiOOH層。
圖4. NiS2/NiS2-NiS電極的OER、電解水活性探究。
文 章 鏈 接
Swapping Catalytic Active Sites from Cationic Ni to Anionic S in Nickel Sulfide Enables More Efficient Alkaline Hydrogen Generation. DOI: 10.1002/aenm.202103359
通 訊 作 者 簡 介
木士春教授
武漢理工大學學科首席教授，博士生導師。主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關鍵材料與核心器件、電化學產(chǎn)氫、鋰離子電池材料和碳納米材料等研究工作。目前，作為第一作者及通訊作者已在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano.、ACS Catal.、ACS Energy Lett.、Nano Energy等國內(nèi)外期刊上發(fā)表250余篇SCI學術論文，申請國家發(fā)明專利近102件，其中授權84件。
寇宗魁教授
教授/研究員，湖北省高層次人才（青年項目），湖北省楚天學子。主要研究方向為原子尺度電催化材料的開發(fā)及催化機理研究。近五年在材料、化學、能源及其交叉學科領域發(fā)表學術論文100余篇，其中以第一作者及通訊作者在Adv Mater、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、ACS Energy Letters、Electrochemical Energy Review、Adv Sci、ACS Catal、Nano Energy等發(fā)表SCI論文50余篇，SCI他引5000余次，h因子為43；獲國家授權發(fā)明專利2項；主持并參與多項國家及省部級科研項目。受邀多本國際高影響力學術期刊獨立審稿人。任《Interdisciplinary Materials》期刊學術編輯。受邀參加多個國際會議并作邀請報告。
John Wang教授
新加坡國立大學材料科學與工程系教授，在功能材料和材料化學領域擁有30多年的教學和科研經(jīng)驗。John Wang教授目前的研究方向包括：多鐵性薄膜及器件，二維材料化學，納米結(jié)構材料在能源與環(huán)境中的應用；在國際頂級學術期刊上已發(fā)表超過400篇著作。John Wang教授曾擔任新加坡國立大學材料科學與工程系主任7年（2012年06月-2019年7月），并且于2019年當選為亞太材料科學院院士，2020、2021年科睿唯安全球高被引學者。