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?忻獲麟/趙建玲/劉輝Small:超親水微孔Ni (OH)x/Ni3S2異質結構,實現大電流密度析氫

設計制備了一種自支撐微孔異質結構電催化劑

?忻獲麟/趙建玲/劉輝Small:超親水微孔Ni (OH)x/Ni3S2異質結構,實現大電流密度析氫
電化學水分解產氫技術,由于其可循環性和無CO2排放特性,引起了人們的廣泛關注。迄今為止,堿性水電解被認為是工業水分解的主流技術,但陰極析氫反應(HER)的高能耗阻礙了其大規模應用。鉑基材料被認為是HER的基準電催化劑,但貴金屬材料的高成本和稀缺性阻礙了它的廣泛應用。因此,開發低成本,高活性和穩定的非貴金屬電催化劑對堿性HER(特別是在大電流密度(≥200mA cm-2)下)的實際應用具有重要意義。
基于此,加州大學爾灣分校忻獲麟、河北工業大學趙建玲劉輝等合理地設計和制備了一種自支撐微孔Ni(OH)x/Ni3S2異質結構電催化劑,并且該電催化劑經電化學處理后具有超親水性。
?忻獲麟/趙建玲/劉輝Small:超親水微孔Ni (OH)x/Ni3S2異質結構,實現大電流密度析氫
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具體而言,Ni(OH)x/Ni3S2/NF異質結構電催化劑表面具有超親水性(接觸角為0°),明顯優于初始Ni3S2/NF(接觸角為146°)。利用Ni(OH)x/Ni3S2/NF超親水性和微孔特性,其在1.0 M KOH溶液中只需54 mV的過電位就能達到10 mA cm-2的電流密度和67mV dec-1的Tafel斜率。Ni(OH)x/Ni3S2/NF還在大電流密度下表現出優異的HER性能,電流密度為100、500和1000 mA cm-2時的過電位分別為126、193和238 mV,并且可連續工作高達1000 h(≈320 mA cm-2),這優于商業Pt/C。
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研究人員利用密度泛函理論(DFT)分別對Ni(OH)2/Ni3S2和Ni3S2催化劑進行了表征。通過比較異質結構Ni(OH)2/Ni3S2和Ni3S2中的水解離過程,發現異質結構Ni(OH)2/Ni3S2中TS1和H2O*之間的能量差(1.96 eV)和TS2與[H2O-H]*之間的能量差(2.42 eV)均小于Ni3S2中的3.57 eV和5.92 eV,這表明水分解在異質結構中比在Ni3S2中更容易發生。
此外,氫原子在Ni(OH)2/Ni3S2中的吸附自由能小于Ni3S2,說明異質結構的吸附能力較強。因此,與Ni3S2相比,無論是對于熱能還是動力學,Ni(OH)2/Ni3S2異質結都表現出更強的催化活性。
Super-Hydrophilic Microporous Ni(OH)x/Ni3S2 Heterostructure Electrocatalyst for Large-Current-Density Hydrogen Evolution. Small, 2022. DOI: 10.1002/smll.202205719

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