木士春/寇宗魁/John Wang Adv. Energy Mater.：調(diào)變氫析出活性位點(diǎn)
王鵬彥等 科學(xué)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(diǎn)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(xué)，新加坡國立大學(xué)
研 究 背 景
由可再生能源驅(qū)動(dòng)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(yīng)（HER）是決定轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。硫化鎳材料在HER催化中被廣泛關(guān)注，且金屬鎳一般被認(rèn)為是HER的活性位點(diǎn)，因此，如何進(jìn)一步提升硫化鎳材料的HER活性并實(shí)現(xiàn)活性位點(diǎn)的反轉(zhuǎn)保有挑戰(zhàn)。
文 章 簡 介
基于此，來自武漢理工大學(xué)的木士春教授、寇宗魁教授與新加坡國立大學(xué)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(gòu)筑基于硫化鎳的分級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了從陽離子Ni到陰離子S的活性位點(diǎn)反轉(zhuǎn)，并探究了在HER及OER、電解水中的催化活性。
本 文 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：構(gòu)筑硫化鎳基分級(jí)結(jié)構(gòu)
通過水熱后硫化的兩步法制備了NiS2/NiS2-NiS分級(jí)結(jié)構(gòu)。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(gòu)，同時(shí)表面負(fù)載有納米花狀的NiS2，從而形成了分級(jí)結(jié)構(gòu)。
圖1. NiS2/NiS2-NiS分級(jí)結(jié)構(gòu)的合成示意圖及結(jié)構(gòu)表征。
要點(diǎn)二：分級(jí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出出色的HER催化活性
受益于豐富的活性位點(diǎn)、出色的固有活性及有利的動(dòng)力學(xué)，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(diǎn)三：密度泛函理論（DFT）計(jì)算驗(yàn)證活性位點(diǎn)反轉(zhuǎn)DFT
計(jì)算結(jié)果表明NiS2/NiS2-NiS分級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑有利于提升電子導(dǎo)電性，且能誘導(dǎo)電子從Ni位點(diǎn)到S位點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。氫吸附吉布斯自由能、水吸附和水解離的計(jì)算結(jié)果表明，不同于NiS2和NiS2-NiS中Ni是活性位點(diǎn)，NiS2/NiS2-NiS分級(jí)結(jié)構(gòu)中S位點(diǎn)呈現(xiàn)出更優(yōu)的吸附能和更小的水解離能壘，從而實(shí)現(xiàn)了活性位點(diǎn)的反轉(zhuǎn)。
圖3. 不同模型的HER動(dòng)力學(xué)研究。
要點(diǎn)四：分級(jí)結(jié)構(gòu)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(huì)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(xué)學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師。主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與核心器件、電化學(xué)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(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)國家發(fā)明專利近102件，其中授權(quán)84件。
寇宗魁教授
教授/研究員，湖北省高層次人才（青年項(xiàng)目），湖北省楚天學(xué)子。主要研究方向?yàn)樵映叨入姶呋牧系拈_發(fā)及催化機(jī)理研究。近五年在材料、化學(xué)、能源及其交叉學(xué)科領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)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(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)；主持并參與多項(xiàng)國家及省部級(jí)科研項(xiàng)目。受邀多本國際高影響力學(xué)術(shù)期刊獨(dú)立審稿人。任《Interdisciplinary Materials》期刊學(xué)術(shù)編輯。受邀參加多個(gè)國際會(huì)議并作邀請(qǐng)報(bào)告。
John Wang教授
新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授，在功能材料和材料化學(xué)領(lǐng)域擁有30多年的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn)。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(xué)，納米結(jié)構(gòu)材料在能源與環(huán)境中的應(yīng)用；在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上已發(fā)表超過400篇著作。John Wang教授曾擔(dān)任新加坡國立大學(xué)材料科學(xué)與工程系主任7年（2012年06月-2019年7月），并且于2019年當(dāng)選為亞太材料科學(xué)院院士，2020、2021年科睿唯安全球高被引學(xué)者。