加拿大孙书会院士和广东工大施志聪教授：异质结界面工程提高水分解活性与稳定性

1. 通过简单的水热反应和电沉积过程，成功制备了生长在泡沫镍上的三维核壳异质结构的NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ纳米棒(NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF)。

2. 所制备的NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF在产氢反应和产氧反应中表现出优异的双功能活性和稳定性，可进行整体水电解。

3. 基于NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ的界面工程、MnOₓHᵧ的外壳保护特性及三维开放的纳米棒结构，制备的电催化剂具有超高活性和稳定性。

利用高活性和高稳定性的过渡金属基双功能电催化剂，可实现整体的水分解。加拿大孙书会院士和广东工大施志聪教授课题组通过界面工程和外壳保护策略成功构建了三维核壳异质结构NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ纳米棒(NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF)。该纳米棒生长在镍泡沫上，可以作为双功能电催化剂，丰富的Mn-S键连接NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ的异质结构界面，产生了强烈的电子相互作用，提高了析氢反应和析氧反应的催化活性。

此外，MnOₓHᵧ作为有效的保护壳，很好地阻止了电催化剂在高电流密度下的电化学腐蚀，增强了高电位下的工作稳定性。构建的三维纳米棒结构不仅暴露了丰富的活性位点，还加速了电解质的扩散和气泡的脱附。因此，NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF在整体水分解方面表现出特殊的双功能活性和稳定性。在100和500 mA cm⁻²时，OER的过电位分别仅为326和356 mV，同时在100 mA cm⁻²时可以维持150 h的高稳定性。在整体水分解能力方面，它在10 mA cm⁻²时表现出1.529 V的低电池电压，同时在100 mA cm⁻²下可以维持100小时。

I 催化剂的制备

NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF的制造过程如图1所示。首先，通过简单的水热硫化反应制备了生长在NF上的三维NiₓSᵧ纳米棒，在CTAB和水合肼的存在下，NF和硫磺粉分别作为Ni源和S源。随后通过电沉积工艺，NiₓSᵧ/NF被均匀地覆着在MnOₓHᵧ上，从而成功构建了具有核壳异质结构的NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ纳米棒。此外，MnOₓHᵧ的质量负载可以通过调整电沉积时间进行优化。

II 催化剂的形貌与组成

III 催化剂的电子状态与相互作用

IV 催化剂的电催化性能

最后，作者研究了所制备异质结纳米棒电催化剂的催化活性。如图5所示，作者用标准的电极配置在1.0M KOH电解液中研究了电催化剂的OER性能。为了进行比较，首先在相同条件下测试了NiₓSᵧ/NF、MnOₓHᵧ/NF和RuO₂/NF的LSV曲线(图5a)。NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF的OER活性在低电流密度范围内与贵金属RuO₂/NF相似，但在高电流密度范围内高于RuO₂/NF，证明了NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF拥有出色的OER活性。此外，它还呈现出比NiₓSᵧ/NF和MnOₓHᵧ/NF高的电流密度，表明NiₓSᵧ和MnOₓHᵧ之间的协同效应使NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF具有增强的OER活性。图5b比较了不同的高电流密度下制备的电催化剂的OER活性。NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF可以在326、347和356 mV的低过电位下分别产生100、300和500 mA cm⁻²的电流密度，而NiₓSᵧ/NF 和MnOₓHᵧ/NF则需要381和345 mV的过电位才能达到 达到100 mA cm⁻²。

作为双功能催化剂，其HER催化活性也进行了评估(图6)。MnOₓHᵧ/NF的HER活性优于NiₓSᵧ/NF和MnOₓHᵧ/ NF，并接近于Pt/C/NF，这是由于NiₓSᵧ和MnOₓHᵧ/NF之间的电子相互作用所产生的协同效应。此外，NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF 只需要179和270 mV的过电位就能实现10 和100 mA cm⁻²的电流密度，这可以与大多数非贵金属的HER 金属电催化剂相媲美。如图6b所示，NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF拥有一个较小的Tafel斜率 (95.1 mV dec⁻¹)，这意味着NiₓSᵧ@ MnOₓHᵧ/NF具有对HER有利的反应动力学。

NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF展现了优秀的OER和HER性能，作为一种双功能电催化剂，被应用于电化学全解水系统的阳极和阴极(图7a)。如图7b所示，NiₓSᵧ@MnOₓHᵧ/NF在10 mA cm⁻²的情况下，以1.530 V的低电池电压实现了全解水的良好活性。此外，它只需要1.829和1.888 V的电池电压就可以达到100和200 mA cm⁻²的电流密度。计时电流曲线也表明催化剂在电池电压为1.83v和200 h工作时间内具有良好的稳定性，有望用于工业化全解水。