第一作者：李灏一

通讯作者：王训

通讯单位：清华大学

研究亮点：

1. 构建了一种廉价易得、高效稳定的非贵金属复合全解水催化电极。

2、制备所得的复合纳米管阵列电极可以同时实现电极优化四原则——提升活性位点的本征活性、增加活性位点数量、增强电极导电性、促进催化传质。

3. 复合材料体系能够实现1T’MoS₂的催化稳定性，为其实际应用带来新的契机。

       电化学全解水产氢因其工艺简单、原料来源经济、产品纯度高、制备无污染成为降低社会对化石燃料依赖的有效途径。但是如何能够设计并制备高活性、稳定、廉价易得的催化材料，成为目前该领域研究的难点问题。科研人员发展了众多非贵金属全解水催化材料，来减小体系的过电位、降低能耗，同时提升电极的催化稳定性。

       然而，这些材料大多只关注于对材料组分或结构的调控，是否有可能通过系统化的设计实现对材料组分、电子结构、形貌结构以及表面性质的同时调控，来提高电极的全解水催化性能呢？

      有鉴于此，清华大学王训教授团队通过模板法制备了超疏气复合纳米管阵列全解水电极，实现了高效电催化水裂解制氢。

图1. 复合纳米管阵列电极合成方法示意图

      研究人员首先制备铁、钴、镍三金属水滑石纳米线阵列，然后利用(NH₄)₂MoS₄在DMF体系中实现了铁、钴、镍硫化物与1T’MoS₂的成功复合，最终通过柯肯达尔效应，得到了复合纳米管阵列电极。

      在此复合材料体系中，1T’MoS₂以及铁、钴、镍三种离子之间的协同效应分别提升了催化剂活性位点对于析氢、析氧反应的本征催化活性。同时，1T’MoS₂良好的导电性极大地促进了催化过程中的电子传输，加快了电解水的动力学过程。纳米管阵列的结构优势在催化过程中，造成了气泡、电解液、电极三者之间不连续的三相接触线，因而气泡和电极之间的接触面积减小，导致了电极对气泡在电解液中的粘附力变小。在气泡析出过程中，与平面电极相比，气泡在还未长大时就离开了电极表面，有利于电解液和电极活性位点的充分接触，促进了催化传质。此外，纳米管阵列的多孔性以及粗糙的表面极大地增加了催化活性位点的数量，进一步提升了电解水催化效率。

图2. 催化剂的形貌结构表征和气泡逸出行为

图3. 复合催化剂组分及结构分析

图4. 电极表面电解液下超疏气和超亲水表征

       将此复合纳米管阵列材料应用于电化学析氢和析氧催化中，样品在10 mA/cm²处的过电位分别为58 mV和184 mV，同时能在200 mA/cm²的大电流密度下保持超过80小时的活性。此外在全解水催化当中，该阵列电极材料也展现出了非常优异的性能，在10 mA/cm²处的电压低至1.429 V，同时能在50 mA/cm²的电流密度下保持超过100小时的稳定性。

图5. HER和OER性能表征

图6. 两电极全解水性能表征

       此外，研究人员利用原位EXAFS表征证明了体系中1T’MoS₂在电催化HER和OER过程中的稳定性，这对于此类材料的实际应用具有较为深远的意义。

图7. 原位EXAFS 表征

      总之，此研究发展了一种系统性优化气体析出反应催化电极的策略，同时实现了电解水性能优化的四原则。此外，对于1T’MoS₂不稳定的问题，文中提出的复合材料体系稳定方法为其实际应用带来新的契机。

参考文献：

Haoyi Li, Xun Wang et al. Systematic design of superaerophobic nanotubearray electrode comprised of transition-metal sulfides for overall water splitting. Nature Communications 2018, 9, 2452.

DOI: 10.1038/s41467-018-04888-0

https://www.nature.com/articles/s41467-018-04888-0