西安交大科研人员在电催化全解水制氢材料研究方面取得新进展

氢能具有能量密度高、清洁环保无污染等特点，是实现国家“双碳”目标的重要能源载体。电分解水反应由析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应组成，是制备高纯氢气的一种有效方式，但其应用受限于昂贵且稀缺的贵金属基催化剂。因此，开发新型高效的非贵金属基电催化剂是实现氢能产业持续性发展的核心与关键。目前，过渡金属硫属化物因其富含3d电子与导电性良好等特性，是一种极具应用潜力的高效低成本HER催化剂体系。但是，在多电子步的OER反应中，金属硫属化物受到热力学和动力学的制约，催化性能有所受限。要实现金属硫属化物的HER/OER双功能全解水特性，需要我们对其成分与结构进行合理设计优化。

近日，西安交大材料学院表面工程研究室戴正飞研究员和马飞教授与国内外科研人员合作，通过共沉淀法与一步硒硫化法，首次在黑磷（BP）纳米片上原位构筑了非金属S元素掺杂的NiCoSe纳米片结构，并将这一异质复合材料用于高效HER/OER双功能电催化全解水研究。在NiCoSeS/BP复合结构中，p型BP中高氧化性的空穴可将低价Co2+氧化成高价、得电子能力更强的Co3+，利于OER反应的发生；非金属S元素与Se元素的电负性差异，也进一步调控了Co3+/Co2+和Ni2+/Ni3+比例，改善了材料电子接受/给予特性，有利于OER/HER全分解水过程。将之用于分解水电催化反应，在10 mA cm?2的电流密度下，其HER和OER的过电位低至172 mV和285 mV，全分解水驱动电位仅需1.67 V，并具有较好的稳定性。同时，研究人员创新性地结合电学气敏分析技术，考察了异质复合材料的湿度敏感性与亲水性，可对其电催化化分解水性能进行一定的预测佐证；第一性原理计算结果也证实了NiCoSeS/BP具有更小的氢吸附自由能和OER反应能垒。本研究工作为金属硫属化物基高性能全解水电催化剂的结构成分设计提供了新思路。

上述研究成果以《硫硒化镍钴/黑磷异质结构的界面与金属价态双调控及其高效电分解水催化研究》(Interface and M3+/M2+Valence Dual-Engineering on Nickel Cobalt Sulphoselenide/Black Phosphorus Heterostructure for Efficient Water Splitting Electrocatalysis) 为题在国际知名材料学期刊《能源与环境材料》(Energy & Environmental Materials)（IF=15.12）在线发表。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为上述论文的第一作者单位和唯一通讯单位，西安交大材料学院博士生梁婷婷为论文的第一作者，戴正飞研究员和马飞教授为论文的共同通讯作者。近期，研究人员也系统综述了非金属元素掺杂对电解水催化性能的提升作用与相关机制（Nano-Micro Letters, doi:10.1007/s40820-021-00785-2,西安交大金属材料强度国家重点实验室为唯一通讯作者单位；IF= 16.41）。研究工作得到国家自然科学基金、陕西省科技创新团队支持计划、陕西省自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1002/eem2.12332