马淑兰课题组 MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni多级纳米组装材料高效宽pH范围全解水

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近年来，传统化石燃料的大规模利用导致能源短缺、环境污染等诸多问题，因此开发清洁高效的新能源迫在眉睫。氢能作为一种洁净的可再生能源，具有热值高、燃烧产物为水等优点，是一种理想的传统化石能源的替代燃料。氢能可通过电解水(由析氢反应HER和析氧反应OER组成)直接获取，而HER和OER过程均需要较高的过电位，需采用适宜的电催化剂来降低此过电位，以实现工业化应用。至今，以Pt, Ir和Ru为代表的贵金属是性能最优的电解水制氢催化剂。但贵金属资源稀缺、价格昂贵，生产成本很高，限制其产业化。因此，探索高效稳定的电催化剂成为一项重要研究任务。

现有的催化剂通常只对一种反应（OER或HER）具有较高的催化活性，因此电解水反应需要两种不同类型催化剂。这使得电解水设备更加复杂，运行成本增加。将不同功能的催化剂组装成一种复合材料，构筑一种双功能全解水催化剂，可有效解决上述问题。另外，目前报道的全解水大多在碱性条件下进行。与碱性相比，酸性条件电解水具有简单和电流密度更高的优点。但强酸和强碱条件对设备的要求高而且对环境有害，且从长远考虑，中性条件下电解水（如海水或河水）是更为理想的选择。因此，设计低成本、高效率适用宽pH范围兼具 HER和OER催化活性的双功能电催化剂，是一项极具挑战性的工作。

MoS2具有较好的HER催化活性，且由于价廉易得受到研究者关注，但其OER催化性能欠佳；Co9S8具有优异的OER催化性能，但其HER性能有待提高。本工作设计合成了相互作用的MoS2和Co9S8纳米片附着Ni3S2纳米棒阵列，该阵列负载于三维泡沫镍(NF)上形成多级共组装材料。该材料具有良好导电性，可直接用作电极。通过调节Co:Mo前驱体的摩尔比，得到形貌和组成可控的CoMoNiS-NF-xy复合材料(x:y即Co:Mo摩尔比，为5:1~1:3)。CoMoNiS-NF-31表现出最佳的电催化活性，在碱性、酸性和中性电解质中可在超低过电位(113, 103和117 mV, HER)和(166, 228和405 mV, OER)下即达到10 mA cm-2的电流密度。基于CoMoNiS-NF-31优异的HER和OER性能，组装了双电极电解槽并在宽pH范围内进行全解水，碱性、酸性和中性介质中，达10 mA cm-2电流密度的池电压为1.54, 1.45,和1.80 V。理论计算表明，材料的高OER活性源于界面上Co9S8向MoS2的电子转移，这改变了被吸附物质的结合能，从而降低过电位。该工作是金属硫化物在全pH下电催化全解水的首次报道，为高效低成本双功能电解水制氢催化剂的设计开发提供重要思路。

该研究成果由北京师范大学化学学院马淑兰教授与美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis和美国阿贡国家实验室Peter Zapol教授合作，以“Hierarchical Nanoassembly of MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni as a Highly Efficient Wide-pH Range Electrocatalyst for Overall Water Splitting”为题，2019.06.06发表在美国化学会志J. Am. Chem. Soc. (DOI:10.1021/jacs.9b04492). 北京师范大学为第一完成单位，北京师范大学化学学院博士生杨燕为第一作者。

马淑兰 ,教授，博士生导师，理学博士（北京师范大学）,1969年9月出生，博士学位，副教授， 博士生导师。1987-1991年，青岛化工学院化工系有机化工专业，工学学士学位；1991-1993年，贵州轮胎厂技术科工作；1993-1996年，北京化工大学硕士研究生，工学硕士学位；1996年-至今，北京师范大学化学学院工作；2000-2003年，北京师范大学无机化学专业博士研究生；理学博士学位。主要研究方向：1. 大量氮杂冠醚和硫杂杯芳烃衍生物及配合物合成与超分子组装结构与性能；2. 层状化合物的合成、剥离、再配列研究。