大工侯军刚Nature Commun：表面重构构筑高活性异质结分解水电催化剂

【研究背景】

电解水生产清洁能源是解决能源问题的一个可行方案。制氢的可持续替代方案是电解水，包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER) 。一般来说，贵金属材料Pt和IrO₂/RuO₂分别是用于HER和OER的基准催化剂。然而，由于高成本和稀缺性，贵金属的应用收到限制。为此，将析氢和析氧活性组分整合构建异质结结构催化剂，并通过两者的协同效应实现性能的互相增强，可获得同时具有优异析氢和析氧性能的电催化剂，有助于大幅度降低水分解的过电位，提高水分解的效率。为了应对这些挑战，催化析氢、析氧和全分解水已经在通过多种催化剂进行，例如氧化物、氢氧化物、磷化物、氮化物和硫属元素化物。因此，迫切需要为工业应用设计和构筑低成本非贵金属催化剂。

【文章简介】

近日，大连理工大学侯军刚教授等在国际顶级期刊Nature Communications (影响因子：12.121)上发表题为“Engineering active sites on hierarchical transition bimetal oxides/sulfides heterostructure array enabling robust overall water splitting”的研究工作。该工作通过氧化/氢化诱导的表面重构策略制备了分级结构的NiMoO_x/NiMoS异质结阵列，其由一维NiO_x/Ni₃S₂纳米棒和二维MoO_x/Mo₂S₂纳米片组成。所制备的NiMoO_x/NiMoS异质结构阵列在电流密度为10mA cm^-2时表现出38mV的析氢过电位和186mV的析氧过电位，即使在100和500mA cm^-2的大电流密度下也能长期稳定地工作。密度泛函理论计算进揭示了NiMoO_x和NiMoS之间构建的耦合界面促进了H原子和含氧中间体的吸附，从而提高了HER和OER的性能。以NiMoO_x/NiMoS异质结构阵列作为阴极和阳极进行双功能全分解水，发现电流密度为10 mA cm^-2时，所需的电压仅为1.46 V，表现出优异的全解水催化性能。双电极体系在较低的电位下达到了500和1000mA cm^-2的工业化电流密度，并展现了极好的稳定性。

图1 流程图和全分解示意图

【本文要点】

要点一：制备方法

这项工作采用氧化/氢化诱导的表面重构策略，以镍钼体系结构为前驱体，制备了分级结构过渡双金属氧化物/硫化物(NiMoO_x/NiMoS)阵列，其由二维MoO_x/MoS₂纳米片与一维NiO_x/Ni₃S₂纳米棒阵列相互作用而成。

图2 催化剂表征

要点二：优异性能

受益于异质结构工程，所合成的NiMoO_x/NiMoS阵列表现出优异的电催化性能。NiMoO_x/NiMoS阵列的电流密度为10、100、500和1000mA cm^-2时，其析氢电位为38、89、174和236mV，析氧电位为186、225、278和334mV，并在100和500 mA cm^-2电流密度下表现出极好的稳定性。以NiMoO_x/NiMoS异质结构阵列作为阴极和阳极进行双功能全分解水，发现电流密度为10 mA cm^-2时，所需的电压仅为1.46 V，表现出优异的全解水催化性能。双电极体系在较低的电位下达到了500和1000mA cm^-2的工业化电流密度，并展现了极好的稳定性。

图3 全分解电解水性能

要点三：密度泛函理论计算表明，NiMoO_x和NiMoS之间的耦合界面优化了H原子和含氧中间体的吸附，加速了水分解动力学，从而提高了催化性能。

图4 理论计算

该研究工作对过渡金属异质结的精准合成及催化机理进行了深入阐述，为未来制备过渡金属异质结全水解催化剂的合成与研究提供了新思路。相关结果发表Nature Communications 上，文章的第一作者是大连理工大学翟潘龙，张艳雪，吴运祯, 通讯作者为大连理工大学侯军刚教授。

【通讯作者介绍】

侯军刚，大连理工大学精细化工国家重点实验室教授，博士生导师。入选国家级四青人才和辽宁省兴辽英才计划青年拔尖人才。致力于发展能源催化材料的可控合成与集成组装方法，建立微纳米结构、能带结构、电荷传输与催化性能之间的构效关系，实施光能、电能与化学能之间的高效转换。至今在Nature Commun. 、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci. (4篇)、Adv. Energy Mater. (6篇)、Adv. Funct. Mater. (4篇)、Nano Energy (5篇)、Appl. Catal. B-Environ (5篇)、ACS Catal.、Small等国际刊物上发表论文90余篇。担任Journal of Energy Chemistry期刊执行编委。

本文由作者团队供稿。