電解水析氫反應(yīng)（HER）作為解決全球能源危機的有效策略顯示出巨大的潛力。對于電解水，最優(yōu)異的HER貴金屬電催化劑包括鉑，因為貴金屬的稀缺性和高成本限制其的廣泛應(yīng)用。貴金屬催化劑在較寬的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的HER催化活性，這對于從酸性腐蝕到堿性微生物電解等各種操作環(huán)境的工業(yè)應(yīng)用是必不可少的。然而，由于酸性和堿性條件下的HER機制存在差異，因此設(shè)計在不同pH條件下應(yīng)用的高效非貴金屬基HER催化劑具有挑戰(zhàn)性。
為了克服這一障礙，最有效的策略之一是在兩種或兩種以上不同材料之間構(gòu)建一種混合或復(fù)合結(jié)構(gòu)，揚州大學(xué)郁旭，成均館大學(xué)Park Ho Seok和Kim Jung Kyu展示了一種由強耦合的二維（2D）NiCo2S4和2D ReS2納米片（NiCo2S4/ReS2）組成的高效且穩(wěn)定可在廣泛pH范圍內(nèi)通用的HER電催化劑。NiCo2S4/ReS2 2D-2D納米復(fù)合材料直接生長在碳布襯底表面，在電流密度為10 mA cm-2時，在堿性和酸性條件下的Tafel斜率分別為78.3和67.8 mV dec-1時，NiCo2S4/ReS2表現(xiàn)出優(yōu)異的HER性能，過電位分別為85和126 mV。當(dāng)NiCo2S4/ReS2作為OER催化劑時，其過電位為308 mV，遠(yuǎn)低于商業(yè)RuO2、NiCo-LDH和NiCo2S4，而ReS2沒有觀察到OER催化性能。此外，在1 M KOH中利用NiCo2S4/ReS2同時作為陽極和陰極，在10 mA cm?2時觀察到全解水系統(tǒng)具有低電位為1.63 V，表明其在堿性介質(zhì)中的全解水過電位僅為400 mV。當(dāng)利用循環(huán)伏安法循環(huán)1000次后，NiCo2S4/ReS2雙電極系統(tǒng)的電壓變化不明顯以及在長期計時電位測試結(jié)果中也顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。其性能與其他非貴金屬基催化劑的性能相比也十分優(yōu)異，證實了NiCo2S4/ReS2作為高效全水解電催化劑的潛力。理論和實驗表征表明，容易產(chǎn)生HER的原因是界面S位上H*的吸附能較弱，這是界面S位點與ReS2外部的S原子相比缺乏電子的結(jié)果，平均差異為0.02e?。在NiCo2S4/ReS2界面，Ni（或Co）原子與ReS2層中的S原子之間形成了Ni-S（或Co-S）鍵，其中部分電子從Ni（或Co）原子轉(zhuǎn)移到ReS2層中的S原子。因此，NiCo2S4層中Ni或Co-鄰位S原子中的電子被轉(zhuǎn)移到需要電子的Ni和Co金屬中，最終成為缺電子的S位點。本研究為合理設(shè)計在廣泛pH范圍內(nèi)通用的HER電催化劑提供了一種簡便的制備方法。此外，通過誘導(dǎo)自旋交叉表面或界面金屬原子通過電子轉(zhuǎn)移增強催化反應(yīng)動力學(xué)的策略同樣對未來研究具有推動作用。Electron transfer-induced metal spin-crossover at NiCo2S4/ReS2 2D–2D interfaces for promoting pH-universal hydrogen evolution reaction, Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202210072.https://doi.org/10.1002/adfm.202210072.
