廈大化學化工學院&臺灣大學：原位表征技術揭示析氫電催化劑活性中心

【成果簡介】

? ? ? ? 近日，廈大化學化工學院鄭南峰、傅鋼教授課題組與臺灣大學陳浩銘教授課題組合作研究揭示了鎳-硫醇配位聚合物析氫電催化材料的活性中心，獲得了高性能的鎳基堿性析氫電催化材料，相關結果以“In Situ Electrochemical Production of Ultrathin Nickel Nanosheets for Hydrogen Evolution Electrocatalysis”為題，發表在Cell Press旗下的Chem上。

【圖文導讀】

圖1 Ni-BDT NSs的結構和組成表征

（A-C）Ni-BDT的SEM圖像（A），TEM圖像（B），EDS和元素映射圖像（C）。

（D）BDT和Ni-BDT的拉曼光譜。 插圖為BDT的化學結構。

（E，F）Ni-BDT和Ni(OH)₂的Ni K-edge XANES（E）和EXAFS（F）譜圖。

圖2 電化學激活后Ni-BDT NSs的結構和組成特征

（A-C）Ni-BDT-A的SEM圖像（A），TEM圖像（B），EDS和元素映射圖像（C）。

（D）Ni-BDT，Ni-BDT-A和由Ar離子濺射的Ni-BDT-A的Ni 2p_{3 / 2}區域的XPS譜圖。

【研究內容】

? ? ? ? 設計合成高效、價廉的析氫（HER）和析氧（OER）電催化劑是降低電解制氫能耗的關鍵。近年研究發現，一些過渡金屬硫化物可擁有與Pt基催化劑相媲美的優異HER性能。但在電化學工作環境下，過渡金屬硫化物的表面組成和結構會發生顯著改變，其催化活性位點的指認一直存在很大爭議。在該項研究工作中，以導電碳布上生長的氫氧化鎳納米片為模板，通過與對苯二硫酚配體反應，研究者成功合成出具有平面Ni(SR)₄配位結構的鎳-硫醇配位聚合物納米片，發現該材料在堿性析氫測試中催化活性隨測試時間逐漸加、存在明顯誘導期的現象。在保持20?mA/cm²的電流密度條件下，析氫所需過電位逐漸降低，約10小時后該催化劑被完全活化，僅需80?mV即可達到10?mA/cm²的電流密度，高于文獻中已報道的過渡金屬硫化物的活性。重要的是，該項研究發現經電化學活化后的鎳-硫醇聚合物催化劑的結構和組成都發生了明顯變化，在TEM和AFM顯示納米片厚度顯著減小的同時，元素分析發現硫含量也大幅降低。電化學原位X射線吸收光譜研究表明，活化后的樣品中大部分的鎳被還原為零價，但表面仍存在少量硫離子，這些表面硫離子可通過靜電作用將水合離子吸引到金屬表面，進而促進堿性條件下水的解離，有效地降低了HER的過電位。該項工作利用電化學原位X射線吸收技術揭示了鎳-硫醇配位聚合物在工作條件下的活性中心，并可為研究非貴金屬基電催化劑的原位表面結構提供借鑒。

? ? ? ? 該工作的共同第一作者為該院博士生胡程奕和碩士生馬秋雨。工作得到了國家自然科學基金委、科技部、教育部等部門的大力資助與支持。

原文鏈接：http://chem.xmu.edu.cn/show.asp?id=2251

文獻鏈接：In Situ Electrochemical Production of Ultrathin Nickel Nanosheets for Hydrogen Evolution Electrocatalysis?(Chem，2017, DOI : http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2017.05.011)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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