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Angew. ：2D-2D界面电子转移诱导的金属自旋交叉促进广泛pH下的析氢反应

时间：2022-11-25 来源： 浏览：

Angew. ：2D-2D界面电子转移诱导的金属自旋交叉促进广泛pH下的析氢反应

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电解水析氢反应（HER）作为解决全球能源危机的有效策略显示出巨大的潜力。对于电解水，最优异的HER贵金属电催化剂包括铂，因为贵金属的稀缺性和高成本限制其的广泛应用。贵金属催化剂在较宽的pH范围内表现出良好的HER催化活性，这对于从酸性腐蚀到碱性微生物电解等各种操作环境的工业应用是必不可少的。然而，由于酸性和碱性条件下的HER机制存在差异，因此设计在不同pH条件下应用的高效非贵金属基HER催化剂具有挑战性。
为了克服这一障碍，最有效的策略之一是在两种或两种以上不同材料之间构建一种混合或复合结构， 扬州大学郁旭，成均馆大学Park Ho Seok和Kim Jung Kyu 展示了一种由强耦合的二维（2D）NiCo 2 S 4 和2D ReS 2 纳米片（NiCo 2 S 4 /ReS 2 ）组成的高效且稳定可在广泛pH范围内通用的HER电催化剂。
NiCo 2 S 4 /ReS 2 2D-2D纳米复合材料直接生长在碳布衬底表面，在电流密度为10 mA cm -2 时，在碱性和酸性条件下的Tafel斜率分别为78.3和67.8 mV dec -1 时，NiCo 2 S 4 /ReS 2 表现出优异的HER性能，过电位分别为85和126 mV。当NiCo 2 S 4 /ReS 2 作为OER催化剂时，其过电位为308 mV，远低于商业RuO 2 、NiCo-LDH和NiCo 2 S 4 ，而ReS 2 没有观察到OER催化性能。
此外，在1 M KOH中利用NiCo 2 S 4 /ReS 2 同时作为阳极和阴极，在10 mA cm −2 时观察到全解水系统具有低电位为1.63 V，表明其在碱性介质中的全解水过电位仅为400 mV。当利用循环伏安法循环1000次后，NiCo 2 S 4 /ReS 2 双电极系统的电压变化不明显以及在长期计时电位测试结果中也显示出优异的稳定性。其性能与其他非贵金属基催化剂的性能相比也十分优异，证实了NiCo 2 S 4 /ReS 2 作为高效全水解电催化剂的潜力。
理论和实验表征表明，容易产生HER的原因是界面S位上H * 的吸附能较弱，这是界面S位点与ReS 2 外部的S原子相比缺乏电子的结果，平均差异为0.02e − 。在NiCo 2 S 4 /ReS 2 界面，Ni（或Co）原子与ReS 2 层中的S原子之间形成了Ni-S（或Co-S）键，其中部分电子从Ni（或Co）原子转移到ReS 2 层中的S原子。
因此，NiCo 2 S 4 层中Ni或Co-邻位S原子中的电子被转移到需要电子的Ni和Co金属中，最终成为缺电子的S位点。本研究为合理设计在广泛pH范围内通用的HER电催化剂提供了一种简便的制备方法。此外，通过诱导自旋交叉表面或界面金属原子通过电子转移增强催化反应动力学的策略同样对未来研究具有推动作用。
Electron transfer-induced metal spin-crossover at NiCo 2 S 4 /ReS 2 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.
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