通过诱导局域电场和电子局域化协同碱性析氢  

Cooperative alkaline hydrogen evolution via inducing local electric field and electron localization

作　　者：王其忧 龚钰杰 谭耀[2] 资鑫 Reza Abazari 李红梅[2] 蔡超[2] 刘康[2] 傅俊伟 陈善勇 罗涛[2] 张世国 李文章[4] 盛义发[1] 刘俊 刘敏[2] Qiyou Wang;Yujie Gong;Yao Tan;Xin Zi;Reza Abazari;Hongmei Li;Chao Cai;Kang Liu;Junwei Fu;Shanyong Chen;Tao Luo;Shiguo Zhang;Wenzhang Li;Yifa Sheng;Jun Liu;Min Liu(School of Electrical Engineering,University of South China,Hengyang 421001,Hunan,China;Hunan Joint International Research Center for Carbon Dioxide Resource Utilization,State Key Laboratory of Powder Metallurgy,School of Physics,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China;Department of Chemistry,University of Maragheh,P.O.Box 55181‐83111,Maragheh,Iran;College of Chemistry and Chemical Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China;College of Materials Science and Engineering,Hunan University,Changsha 410082,Hunan,China)

机构地区：[1]南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001 [2]中南大学物理学院,粉末冶金国家重点实验室,湖南省二氧化碳绿色资源化利用国际联合研究中心,湖南长沙410083 [3]马拉赫大学化学系,马拉赫,伊朗 [4]中南大学化学化工学院,湖南长沙410083 [5]湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410082

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2023年第11期229-237,共9页催化学报（英文）

基　　金：湖南省自然科学基金(2023JJ30499);广东省自然科学基金(2022A1515010198);国家自然科学基金(22002189,52202125,22376222);中南大学高级交叉学科研究计划项目(2023QYJC012);中南大学创新驱动研究计划(2023CXQD042).

摘　　要：碱性析氢反应(HER)可将间歇性可再生能源转化为可存储的清洁能源,因而备受关注.然而,水解离速度缓慢以及H中间体(*H)吸附和解吸困难限制了碱性HER的进一步发展.目前,针对碱性电解水解离缓慢问题,通常采用调整电催化剂结构降低水分解热动力学能垒,以及改变三相界面微环境加速中间产物的扩散等方法来促进水分解进行.此外,可以通过调控活性位点电子结构来优化*H的吸脱附.但是采用单一的策略很难同时促进H_(2)O的解离和*H的吸脱附,难以获得令人满意的碱性HER性能.因此,探索一种能同时促进H_(2)O的解离和*H的吸脱附协同策略对提升碱性HER的性能至关重要.本文提出了一种协同策略,通过构建高曲率二硫化钴纳米针(CoS_(2)NNs)和原子级铜(Cu)的掺杂分别实现诱导纳米尺度的局域电场和原子尺度的电子局域化,从而促进碱性HER的H_(2)O解离和*H吸脱附.首先,采用有限元法模拟和密度泛函理论计算,从理论上分别证实了纳米尺度局域电场可以加速H_(2)O解离以及原子尺度电子局域化可以促进*H吸附.受理论计算结果启发,通过一步水热法和原位硫化相结合的方法制备了高曲率的Cu掺杂CoS_(2)纳米针(Cu-CoS_(2)NNs).采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和四探针测试等技术进行表征,研究了Cu-CoS_(2)NNs的形貌、物相结构、化学组成和导电性.结果表明,在Cu原子引入后,Cu-CoS_(2)NNs依然保持着高曲率的纳米针结构,证明了Cu在CoS_(2)NNs中的原子分散状态.相较于低曲率的Cu掺杂CoS_(2)纳米线(Cu-CoS_(2)NWs),Cu-CoS_(2)NNs只存在形貌上的区别,二者的化学组成和比例均非常接近.同时,上述材料都具有很强的导电性,且电导率基本相同,这与有限元模拟结果一致.原位衰减全反射红外光谱和电响应测试结果表明,Cu-CoS_(2)NNs具有较好的解离H_(2)O和吸附*H的能力.在1 mol L^(-1)KOH溶液和10 mA cm^(-2)Alkaline hydrogen evolution reaction(HER)represents a promising means to store intermittent renewable energy into clean energy.Unfortunately,the sluggish H2O dissociation and difficult*H adsorption-desorption are prominent obstacles to the development of alkaline HER.Herein,we developed a cooperative strategy via nanoneedle inducing local electric field and atomic doping causing electron localization for alkaline HER based on the preparation of Cu doped CoS_(2) nanoneedles(Cu-CoS_(2) NNs).Finite element method simulations and density functional theorycalculations demonstrate the local electric field accelerates H2O dissociation and electron localization facilitates*H adsorption,respectively.In situ attenuated total reflection infrared spectroscopy and electro-response measurement experimentally reveal the superior ability to H2O dissociation and*H adsorption for Cu-CoS_(2) NNs.As a result,the Cu-CoS_(2) NNs exhibit an ultralow overpotential of 64 mV at–10 mA cm^(-2) and long-term stability over 100 h at–100 mA cm^(-2) during alkaline HER,which outperforms most electrocatalysts in recently published works.

关 键 词：碱性析氢 局域电场 电子局域化 铜掺杂 二硫化钴纳米针尖 

分 类 号：R72[医药卫生—儿科]