非晶Mo掺杂NiSSe纳米片NiSSe纳米棒在水分解中的应用

电化学水分解技术被认为是最具前景的制氢技术之一。迄今为止，Pt是应用最广泛的析氢反应（HER）催化剂，Ir基化合物是高活性的析氧反应（OER）电催化剂。然而，其稀缺性、高成本、稳定性差限制了其在水分解中的实际应用。

近年来，过渡金属化合物因其丰富、低成本和环境友好而被广泛研究。然而，电催化剂和水分解装置在酸性和碱性条件下通常遭受腐蚀问题，环境不友好和较差的稳定性，这阻碍了它们在产氢中的应用。开发中性环境下的水分解催化剂是制氢有前途的方向之一，因为它无污染，成本低，易于大规模应用。

然而，在中性溶液中合理设计高效、低成本、稳定的双功能电催化剂仍然是一个巨大的挑战。此外，为了满足工业制氢的要求，电催化剂应在大于500 mA cm-2的高电流密度下保持稳定性。这些挑战促使开发高效、稳定、廉价的电催化剂以解决在中性溶液中高电流密度水分解的问题。

因此，海南大学邓意达和郑学荣等人合成了非晶掺Mo的NiS0.5Se0.5纳米片@晶态NiS0.5Se0.5纳米棒（Am-Mo-NiS0.5Se0.5）催化剂。

在1.0 M PBS溶液中评估了Am-Mo-NiS0.5Se0.5的HER活性并与Cr-Mo-NiS0.5Se0.5、Pt/C和NF进行比较。Am-Mo-NiS0.5Se0.5在10 mA cm-2的电流密度下的过电位仅为48 mV，优于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5。在实际应用中，催化剂的高电流密度性能至关重要。在300和1000 mA cm-2的高电流密度下，Am-Mo-NiS0.5Se0.5显示出133和209 mV的过电位，远低于商业Pt/C（153和447 mV）和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（205和295 mV）。

在1.0 M PBS中，NF显示出可忽略的HER活性，这意味着催化剂的活性主要归因于Am-Mo-NiS0.5Se0.5，而不是NF基底。除了HER性能，制备的Am-Mo-NiS0.5Se0.5在1.0 M PBS溶液中也表现出了优异的OER性能，Am-Mo-NiS0.5Se0.5只需要238 mV的过电位就可以提供10 mA cm-2的电流密度，这远远低于商业IrO2（365 mV），Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（329 mV），NF（434 mV）和大多数报道的过渡金属化合物电催化剂。

特别是Am-Mo-NiS0.5Se0.5在高电流密度（1000 mA cm-2）下表现出比商业IrO2和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5更低的过电位（514 mV）。重要的是，以Am-Mo-NiS0.5Se0.5同时作为阳极和阴极时，在1.0 M PBS溶液中（10 mA cm-2）的全水解性能（1.52 V）优于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（1.66 V）以及Pt/C 和IrO2（1.64V），并且该电解槽在室温下仅需要1.98 V的电压就可以达到1000 mA cm-2的电流密度，远低于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5以及Pt/C 和IrO2。

通过对能带结构的理论推导，进一步揭示了非晶和晶体结构在促进催化过程中的电子贡献差异。值得注意的是，Cr-Mo-NiS0.5Se0.5显示出明显的0.4 eV的间接带隙，这证明了d-d和d-p跃迁的能垒。相比之下，Am-Mo-NiS0.5Se0.5具有无能隙的富电子特性，促进了d-d电子跃迁，从而实现优异的性能。

此外，晶体结构中的p-d电子跃迁被非晶态结构所打破。因此，这些结果表明，这种不同的电子转移导致了水分解过程的对比选择性。Am-Mo-NiS0.5Se0.5和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5的投影态密度计算表明，与Cr-Mo-NiS0.5Se0.5相比，Am-Mo-NiS0.5Se0.5的Ni位点d轨道上移，反映了电子转移能力的增强和化学活性的提高。之后计算得到，H2O在Am-Mo-NiS0.5Se0.5表面的吸附能比在Cr-Mo-NiS0.5Se0.5低得多，表明该非晶结构有利于Volmer步骤。

另外，Am-Mo-NiS0.5Se0.5的Ni位点的氢吸附自由能为-0.13 eV， Mo位点的氢吸附自由能为-0.22 eV，均低于Cr-Mo- NiS0.5Se0.5的Ni位点和Mo位点。结果表明，Ni位点是Am-Mo-NiS0.5Se0.5的HER过程中的活性位点，且在Am-Mo-NiS0.5Se0.5上较Cr-Mo- NiS0.5Se0.5更容易进行H的吸附。综上所述，本研究通过设计和合成非晶相为HER和OER提供了一种高活性和稳定的催化剂，这将促进未来中性环境中全水解的应用。

审核编辑：郭婷