第一作者：Sen Xue

通讯作者：任文才、成会明

通讯单位：中国科学院金属研究所

研究亮点：

1. 通过简单的水热和退火处理，在泡沫镍上制备了长而致密的MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线。

2. 该材料在大电流密度碱性溶液中表现出优异的性能，稳定性好。

碱性析氢催化剂

氢能作为一种燃烧热值高、无污染、可再生的绿色能源，不仅有助于解决化石燃料过度使用带来的环境污染问题，同时还有助于解决未来可能发生的能源危机问题。电解水制氢具有工艺简单、原料来源广泛、无污染、氢气纯度高等优点，是最具发展前景的制氢技术之一。然而电解水制氢存在的最大问题是反应过程能耗过高，需要添加催化剂降低反应能垒。

目前，电催化产氢性能最好的材料依然为价格昂贵且储量有限的贵金属铂基催化剂。由于碱性体系析氧反应更容易发生，且相比酸性电解质，碱性电解质对催化剂的腐蚀更小，催化剂的选择范围更广，因此碱性体系电解水更适用于商业化制氢。但是，由于碱性体系析氢反应需要经历水的活化分解过程，在酸性体系下具有高催化活性的催化剂，碱性析氢性能通常并不理想。此外，目前的析氢催化剂研究主要集中在低电流密度产氢范围，而大电流密度产氢催化剂的研究相对较少，但其对于氢气的规模化制备和商业化应用至关重要。因此，开发碱性体系高效稳定的大电流密度制氢非贵金属催化剂意义重大。

成果简介

针对以上问题，中国科学院金属研究所任文才研究员（通讯作者）和成会明研究员（通讯作者）团队报道了一种高效稳定的碱性体系大电流密度产氢催化剂，MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线-泡沫镍（MoS₂/Ni₃S₂NW-NF）复合材料。

图1. MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线-泡沫镍用于碱性析氢。

要点1. MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线制备及结构表征

采用三维导电泡沫镍为自支撑电极材料，引入钼源和硫源构建高活性催化析氢Mo-Ni-S体系，通过水热反应和退火处理，在泡沫镍基底上制备得到了细长浓密的MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线。

图2. MoS₂/Ni₃S₂ NW-NF的制备及形貌表征。(a) 制备过程示意图；(b-d) 低倍和高倍SEM图；(e) 纳米线直径分布图；(f)MoS₂/Ni₃S₂纳米线担载量与文献报道结果的对比图。

图3. MoS₂/Ni₃S₂ NW-NF的结构及组分表征。(a) 暗场相TEM图；(b) 高分辨TEM图；(c) 对应的傅里叶变换谱；(d)TEM能谱图；(e-h) HAADF-TEM模式下EDX元素分布图；(i) XRD谱；(j-l) XPS谱。

要点2：MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线碱性析氢测试与机制分析

该催化剂在碱性体系下具有优异的大电流密度催化产氢性能，电流密度为500和1000 mA cm^‒2的过电势仅需182和200 mV，同时可以在200，500及1000 mA cm^‒2条件下长时间稳定工作，其电催化产氢性能超过了已报道的众多催化剂。

图4. MoS₂/Ni₃S₂ NW-NF的电催化产氢性能。(a) LSV曲线；(b) 塔菲尔斜率曲线；(c) 100 mA cm⁻²的过电势及塔菲尔斜率对比图；(d) 500及1000 mA cm⁻²的过电势对比图；(e) 2000次CV循环测试前（黑线）后（红线）的LSV曲线对比图；(f) 200, 500及1000 mA cm^‒2工作12 h的计时电位变化曲线。

图5. MoS₂/Ni₃S₂ NW-NF电催化产氢性能机制分析。(a) 电化学阻抗谱；(b) 电容电流与扫速关系曲线；(c) 1 mol L^-1 KOH液滴在不同催化剂表面的接触角对比图，插图为对应的光学照片；(d) 不同电流密度区间下催化剂的η/log|j|比值变化。

小结

综上所述，作者通过调控催化剂的结构及组分，在三维导电泡沫镍上制备得到了具有高担载量及高活性的MoS₂/Ni₃S₂同轴异质结构纳米线。在水热反应过程中创新性地引入表面活性剂（P123），调控催化剂形貌，并使异质结构具有高的担载量，是文献报道的2.7倍以上，从而显著增加了活性位点数目。此外，通过后期退火处理，去除了低活性物相，增强了异质结构的催化活性。

该催化剂优异的电催化产氢性能首先来自于MoS₂/Ni₃S₂异质结构之间的协同效应，其次材料良好的导电性、高的电化学活性面积、良好的润湿性及传质特性也为其大电流密度产氢提供了强有力的支持。本工作为开发新型大电流密度水分解催化剂以及提高传统催化剂材料的电催化性能提供了思路。

参考文献

Sen Xue, Zhibo Liu, ChaoqunMa, Hui-Ming Cheng, Wencai Ren. A highly active and durable electrocatalyst forlarge current density hydrogen evolution reaction. Science Bulletin, 2019.

DOI: 10.1016/j.scib.2019.10.024

https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.10.024

作者简介

任文才，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯等二维材料的制备及其在光电、储能、复合材料、膜技术等领域的应用研究。在Nature Materials等期刊发表SCI论文130多篇，被SCI引用22,000多次，是材料领域高被引学者；获授权发明专利40余项（含4项国际专利），2项已产业化。曾获国家自然科学二等奖（2017，2006）、何梁何利基金科学与技术创新奖、辽宁省自然科学一等奖、中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖等奖项，并入选了科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才和国家“万人计划”科技创新领军人才。

成会明，碳材料科学家，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国科学院金属研究所研究员，先进炭材料研究部主任，清华-伯克利深圳学院低维材料与器件实验室主任。主要从事碳纳米管、石墨烯及其他二维材料等低维材料的制备、性能及应用等研究。在国际国内会议上做特邀报告170多次，在国际刊物上发表学术论文650余篇（其中2009-2018年发表的论文中有83篇为ESI高被引论文），被引用7.2万次，H因子118，是科睿唯安公布的化学和材料两个领域的高引用科学家之一。曾获国家自然科学二等奖（2017,2006）、国防科技进步二等奖（2010）、何梁何利科学与技术进步奖（2010）、美国碳学会Charles E. Pettinos奖、德国SGL集团Felcht奖、美国化学会ACSNano讲座奖等奖励。曾任《Carbon》副主编、《新型炭材料》主编，现任《Energy Storage Materials》主编、《Science ChinaMaterials》副主编。

能源材料化学交叉学术QQ群：513234570

加微信群请添加微信：15280275174