鑽石舞台

開發高效穩定的低成本雙功能電催化劑對於實現大規模的工業化電解水制氫具有重要的意義。該工作採用一步溶劑熱法將Ni/Fe基MOF納米片陣列耦合金屬硫化物團簇原位生長在鎳泡沫骨架上 (表示為Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF)，其中Fe-Ni3S2團簇可以有效抑制MOF納米片的聚集，並可以調控MOF納米片的局部電子結構。該催化劑在1M KOH電解液中表現出優異的析氧反應 (OER)、析氫反應 (HER) 和全水分解性能。

金屬有機框架材料因其高的比表面積、可裁剪的形貌結構以及豐富的活性位點等優勢已經受到了人們的廣泛關注，但其仍存在導電性能不理想和傳質緩慢的問題。研究發現，通過熱解MOF前驅體製備得到的金屬基衍生物能夠顯著提高其導電性和催化活性。然而高溫熱處理可能會破壞MOF的多孔結構，導致金屬基顆粒的聚集以及活性位點的缺失，從而降低電解水的性能。為了解決這些問題，將金屬衍生物 (如金屬氧化物、氫氧化物和磷化物) 與多孔MOF材料進行直接耦合，既能提高MOF的導電性又能充分利用MOF獨特的結構優勢。同時，這種偶聯還可以誘導兩者之間的協同效應，促進催化反應中間體的吸附/解吸過程，提高電解水制氫效率。

將電導性較好的Fe-Ni3S2納米糰簇與NiFe-MOF納米片陣列的進行耦合，能夠抑制NiFe-MOF納米片的聚集，提高催化劑的比表面積，而且這種獨特的結構還有利於電解質離子的擴散和氣泡的釋放。此外，Fe-Ni3S2納米糰簇與NiFe-MOF納米片陣列之間的強電子相互作用可以加速催化反應過程中的電荷轉移，優化催化劑表面HER/OER中間體的吸脫附，從而實現催化HER/OER活性的提升。

通過簡單的一步溶劑熱法，將Fe-Ni3S2納米糰簇和NiFe-MOF納米片陣列原位生長在鎳泡沫骨架上 (表示為Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF)。在溶劑熱過程中，Ni和Fe離子與2-氨基對苯二甲酸 (H2BDC-NH2) 配體配位形成NiFe-MOF納米片。同時，引入的硫代乙酰胺 (TAA) 作為硫源分解釋放出硫離子，硫離子與Ni和Fe離子進行直接反應，最終在NiFe-MOF納米片表面形成Fe-Ni3S2n納米糰簇。

XRD、Raman和XPS表徵結果證明了Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF催化劑的成功製備。在XPS圖譜中，與NiFe-MOF/NF相比，Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF的Ni 2p和Fe 2p峰分別發生了0.4和1.2 eV正移，其中Fe 2p峰的正移主要是由於Fe-S橋接單元的形成。與Fe-Ni3S2/NF相比，Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF的S 2p峰發生了負移。這些結果表明NiFe-MOF與Fe-Ni3S2之間存在着明顯的電子耦合作用，有利於加速其電荷轉移，提高反應動力學。

通過SEM和TEM圖像可以發現，對照樣品Fe-Ni3S2/NF展現出了由納米片交錯堆積的三維蜂窩狀形貌，而NiFe-MOF/NF顯示出聚集的納米片結構。對於所製備的目標樣品Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF，在NiFe-MOF納米片陣列結構上出現了納米糰簇。該納米糰簇的存在可以有效地削弱MOF納米片之間的相互作用，從而阻礙MOF納米片的聚集。從元素映射圖中可以看到，Ni、Fe、O和C元素均勻分布在整個Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF上，在該催化劑上生長有納米糰簇的區域中，S和Ni元素映射較強，這表明在NiFe-MOF納米片表面形成了Fe-Ni3S2團簇。電化學測試結果表明，Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF在1M KOH鹼性電解液中均展示出了優異的HER (170 mV@50 mA cm-2)、OER (226 mV@100 mA cm-2) 和全解水 (1.6 V@10 mA cm-2) 性能。

我們通過簡單的一步溶劑熱反應，在泡沫鎳基底上成功地耦合NiFe-MOF納米片與Fe-Ni3S2納米糰簇。這種耦合結構以及兩者間的協同作用賦予了Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF豐富的活性位點、快速的質量/電荷傳輸能力，有利於電催化性能的提升。具體來說，Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF均展示出了優異的OER (η = 226 mV@100 mA cm-2) 和HER (50 mA cm-2@η = 170 mV) 催化活性。更重要的是，組裝後的FeNi3S2@NiFe-MOF/NF//Fe-Ni3S2@NiFe-MOF/NF電解槽在10 mA cm-2的電流密度下僅僅需要1.60 V的低電池電壓。該工作為高性能雙功能電催化劑的製備提供了一種新思路。

共同第一作者:侯現飈 、江添源

共同通訊作者:初蕾 、黃明華

通訊單位: 中國海洋大學