原位表征技术揭示析氢电催化剂活性中心

据能源材料化学协同创新中心网站消息：近日，iChEM研究人员、厦门大学郑南峰、傅钢教授课题组与台湾大学陈浩铭教授课题组合作研究揭示了镍-硫醇配位聚合物析氢电催化材料的活性中心，获得了高性能的镍基碱性析氢电催化材料，相关结果以"In Situ Electrochemical Production of Ultrathin Nickel Nanosheets for Hydrogen Evolution Electrocatalysis"为题，发表在Cell Press旗下的Chem杂志（Chem 2017, 3, 122-133）。

设计合成高效、价廉的析氢（HER）和析氧（OER）电催化剂是降低电解制氢能耗的关键。近年研究发现，一些过渡金属硫化物可拥有与Pt基催化剂相媲美的优异HER性能。但在电化学工作环境下，过渡金属硫化物的表面组成和结构会发生显著改变，其催化活性位点的指认一直存在很大争议。

在该项研究工作中，以导电碳布上生长的氢氧化镍纳米片为模板，通过与对苯二硫酚配体反应，研究者成功合成出具有平面Ni(SR)4配位结构的镍-硫醇配位聚合物纳米片，发现该材料在碱性析氢测试中催化活性随测试时间逐渐增加、存在明显诱导期的现象。在保持20 mA/cm2的电流密度条件下，析氢所需过电位逐渐降低，约10小时后该催化剂被完全活化，仅需80 mV即可达到10 mA/cm2的电流密度，高于文献中已报道的过渡金属硫化物的活性。

重要的是，该项研究发现经电化学活化后的镍-硫醇聚合物催化剂的结构和组成都发生了明显变化，在TEM和AFM显示纳米片厚度显著减小的同时，元素分析发现硫含量也大幅降低。电化学原位X射线吸收光谱研究表明，活化后的样品中大部分的镍被还原为零价，但表面仍存在少量硫离子，这些表面硫离子可通过静电作用将水合离子吸引到金属表面，进而促进碱性条件下水的解离，有效地降低了HER的过电位。该项工作利用电化学原位X射线吸收技术揭示了镍-硫醇配位聚合物在工作条件下的活性中心，并可为研究非贵金属基电催化剂的原位表面结构提供借鉴。

该工作的共同第一作者为iChEM博士生胡程奕和厦门大学化学化工学院硕士生马秋雨。工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部等部门的大力资助与支持。

论文链接： http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(17)30224-3。