堿性水電解產氫，是一種在商業(yè)上實現大規(guī)模制氫的有效方法。盡管非貴金屬催化劑在低電流密度(10 mA cm-2-50 mA cm-2)下表現出較高的電催化活性，但由于其電子傳輸效率低下和羥基之間的競爭吸附，要實現工業(yè)所需的超過500 mA cm-2的電流密度仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，中科院上海硅酸鹽研究所黃富強、劉建軍和趙偉等設計了一種具有化學鍵合異質界面的氮化鎳和單斜二硫化鉬(Ni3N@2M-MoS2)新型金屬異質結構催化劑，用于高效穩(wěn)定水分解。
實驗結果表明，在1.0 M KOH溶液中，Ni3N@2M-MoS2在1000 mA cm-2電流密度下的HER和OER過電位分別為155 mV和327 mV。此外，以Ni3N@2M-MoS2為電極構建的水電解槽，僅需要1.644 V的超低電池電壓就能產生1000 mA cm-2的電流密度，并且在300小時內活性保留率約為100%，遠遠超過商業(yè)Pt/C??RuO2(2.41V@1000 mA cm-2，100小時@58.2%)。實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明，Ni3N@2M-MoS2優(yōu)異的活性主要源于: 1. 具有異質界面的Ni3N@2M-MoS2提供了兩種分離的反應位點，以克服競爭性羥基/水吸附的空間位阻；2. 通過Ni-S鍵形成的異質界面調節(jié)了費米能級周圍Ni和N原子的電子態(tài)，以優(yōu)化各種中間體(H*、OH*、O*、OOH*)的自由能；3. Ni3N@2M-MoS2的金屬電導率和高親水性改善了電子輸運和傳質性能。由于上述優(yōu)點，其具有優(yōu)異的電催化性能和優(yōu)異的耐久性，表明所設計的Ni3N@2M-MoS2是一種很有前景的大電流堿性水電解電催化劑。Engineering Metallic Heterostructure Based on Ni3N and 2M-MoS2 for Alkaline Water Electrolysis with Industry-Compatible Current Density and Stability. Advanced Materials, 2021. DOI: 10.1002/adma.202108505
