原位表征技術揭示析氫電催化劑活性中心

據能源材料化學協同創新中心網站消息：近日，iChEM研究人員、廈門大學鄭南峰、傅鋼教授課題組與台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雜誌（Chem 2017, 3, 122-133）。

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製氫能耗的關鍵。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麵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麵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增加、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小時後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，高於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後的鎳-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(she)線(xian)吸(xi)收(shou)光(guang)譜(pu)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，活(huo)化(hua)後(hou)的(de)樣(yang)品(pin)中(zhong)大(da)部(bu)分(fen)的(de)鎳(nie)被(bei)還(hai)原(yuan)為(wei)零(ling)價(jia)，但(dan)表(biao)麵(mian)仍(reng)存(cun)在(zai)少(shao)量(liang)硫(liu)離(li)子(zi)，這(zhe)些(xie)表(biao)麵(mian)硫(liu)離(li)子(zi)可(ke)通(tong)過(guo)靜(jing)電(dian)作(zuo)用(yong)將(jiang)水(shui)合(he)離(li)子(zi)吸(xi)引(yin)到(dao)金(jin)屬(shu)表(biao)麵(mian)，進(jin)而(er)促(cu)進(jin)堿(jian)性(xing)條(tiao)件(jian)下(xia)水(shui)的(de)解(jie)離(li)，有(you)效(xiao)地(di)降(jiang)低(di)了(le)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
，並可為研究非貴金屬基電催化劑的原位表麵結構提供借鑒。

該工作的共同第一作者為iChEM博士生胡程奕和廈門大學化學化工學院碩士生馬秋雨。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。

論文鏈接： http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30224-3。