忻获麟/赵建玲/刘辉Small：超亲水微孔Ni (OH)x/Ni3S2异质结构，实现大电流密度析氢

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电化学水分解产氢技术，由于其可循环性和无CO₂排放特性，引起了人们的广泛关注。迄今为止，碱性水电解被认为是工业水分解的主流技术，但阴极析氢反应(HER)的高能耗阻碍了其大规模应用。铂基材料被认为是HER的基准电催化剂，但贵金属材料的高成本和稀缺性阻碍了它的广泛应用。因此，开发低成本，高活性和稳定的非贵金属电催化剂对碱性HER(特别是在大电流密度(≥200mA cm^-2)下)的实际应用具有重要意义。

基于此，加州大学尔湾分校忻获麟、河北工业大学赵建玲和刘辉等合理地设计和制备了一种自支撑微孔Ni(OH)_x/Ni₃S₂异质结构电催化剂，并且该电催化剂经电化学处理后具有超亲水性。

具体而言，Ni(OH)_x/Ni₃S₂/NF异质结构电催化剂表面具有超亲水性(接触角为0°)，明显优于初始Ni₃S₂/NF(接触角为146°)。利用Ni(OH)_x/Ni₃S₂/NF超亲水性和微孔特性，其在1.0 M KOH溶液中只需54 mV的过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度和67mV dec^-1的Tafel斜率。Ni(OH)_x/Ni₃S₂/NF还在大电流密度下表现出优异的HER性能，电流密度为100、500和1000 mA cm^-2时的过电位分别为126、193和238 mV，并且可连续工作高达1000 h(≈320 mA cm^-2)，这优于商业Pt/C。

研究人员利用密度泛函理论(DFT)分别对Ni(OH)₂/Ni₃S₂和Ni₃S₂催化剂进行了表征。通过比较异质结构Ni(OH)₂/Ni₃S₂和Ni₃S₂中的水解离过程，发现异质结构Ni(OH)₂/Ni₃S₂中TS1和H₂O*之间的能量差(1.96 eV)和TS2与[H₂O-H]*之间的能量差(2.42 eV)均小于Ni₃S₂中的3.57 eV和5.92 eV，这表明水分解在异质结构中比在Ni₃S₂中更容易发生。

此外，氢原子在Ni(OH)₂/Ni₃S₂中的吸附自由能小于Ni₃S₂，说明异质结构的吸附能力较强。因此，与Ni₃S₂相比，无论是对于热能还是动力学，Ni(OH)₂/Ni₃S₂异质结都表现出更强的催化活性。

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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