清华大学材料学院朱宏伟

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Pt基材料和Ru/Ir基材料分别是电催化析氢和析氧气反应（HER和OER）电催化的最佳催化剂，但是其昂贵的成本和极大的稀缺性限制了进一步的应用，因此需要开发低廉的非贵金属电催化剂来实现高效的电催化。硫化镍，尤其是Ni3S2在电化学全解水中展现出了独特的优势，因此受到了广泛的关注，但是其电化学活性仍然不高。为了进一步提升活性，元素掺杂是一种有效的策略。在各种掺杂金属中，Fe可以通过调控价态、增强电导率并优化氢/水吸附能来增强电催化性能。然而，大规模制备原位生长在高导电基底上的Fe掺杂Ni3S2结构的电催化材料仍然是十分挑战性的。

        鉴于此，清华大学的朱宏伟教授课题组通过一步气相沉积法在三维Fe-Ni泡沫基底上原位构建了Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒，所获得的电催化剂可以实现碱性电解质中的高效HER和OER电催化，并可以用于自支撑电极高性能催化电解水，为大规模制备全解水电催化剂提供了更低廉简便的方法。
        本文要点：
       1) 将三维Fe-Ni泡沫基底和硫粉同时加热，可以实现Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒在导电基底上的原位生长，该制备方法主要得益于均匀的生长环境和气相沉积法独特的可扩展性。其独特的多孔结构可以提供更大的电化学活性面积，并增强活性位点的暴露，因此可以作为自支撑电极用于电催化反应。
       2) 在碱性电解质中将Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒用于HER电催化时，在10 mA•cm−2的电流密度下的过电位为75 mV，Tafel斜率为103 mV•dec−1。在催化OER时，Fe掺杂Ni3S2的表面会原位转化为Ni-Fe羟基氢氧化物，因此在10 mA•cm−2的电流密度下展现出267 mV的低过电位和36 mV•dec−1的Tafel斜率。
       3) 根据实验和密度泛函理论计算的结果，Fe的掺杂有助于增加电化学活性表面积、增强电导率并优化Ni3S2（101）表面在HER电催化中对H和H2O的吸附能。其优异的稳定性主要得益于在导电基底上原位生长的纳米颗粒可确保活性催化剂与基地之间的紧密结合，并促进电荷传输并增加活性位点的数量。
       4) 将Fe掺杂Ni3S2纳米颗粒组装成全解水电解池，也可以获得非常优异的电解水活性和稳定性。
Min Wang, et al., A highly efficient Fe-doped Ni3S2 electrocatalyst for overall water splitting. Nano Res., doi: 10.1007/s12227-021-3416-5.