由于气候变化、环境污染、能源危机等全球性问题，氢气作为下一代可能的可持续能源载体备受关注。目前，以化石燃料为基础的天然气重整方法是利用高温蒸汽制备的氢气，这虽然是最廉价和最常见的方法，但是这种方法对环境和自然资源造成了重大威胁。最近，基于电解水制备氢气的技术提供了新的机会和希望，通过析氢反应(HER)即可制备H2，然而伴随着HER的析氧反应(OER)因高过电位导致的电解水具有缓慢的动力学，阻碍了电解水制氢的发展，因此制备和设计高效的OER电催化剂刻不容缓。世宗大学Jun-Young Park等人制备了负载在泡沫Ni上的高效和稳定的钴和锡共掺杂的Ni3S2催化剂(CoSn-Ni3S2@NF)，并且CoSn-Ni3S2@NF可在碱性介质中实现高效的OER。本文采用循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)等基本电化学分析方法研究了Ni3S2@NF、Co-Ni3S2@NF、CoNi-Ni3S2@NF、CoFe-Ni3S2@NF和CoSn-Ni3S2@NF的电化学性能。在电化学测试结果表明，在160 ℃水热条件下反应4小时制备的Co-Ni3S2@NF显示出最佳的OER活性，其在0.2 A cm-2的高电流密度下的过电位(η)较在不同条件下(120和140℃，1和7小时)制备的Co-Ni3S2@NF催化剂要低341 mV。此外，在160℃退火4小时的Co-Ni3S2@NF在所有样品中还具有最小的Tafel斜率，Tafel斜率仅为97 mV dec-1，这有利的证明了多孔结构和Co-Ni3S2@NF的纳米片形貌显著影响了催化剂的OER性能。更最重要的是，CoSn-Ni3S2@NF在恒电流密度下(在0.2 A cm-2的电流密度下持续测试10小时)以及在1.25-1.65 V的电压下循环测试1000次后催化剂表现出可忽略不计的性能衰减，从而表明CoSn-Ni3S2@NF具有优异的稳定性。此外，由CoSn-Ni3S2@NF组成的碱性电解水系统在电流密度为1.367 A cm-2、80°C和30wt% KOH的条件下表现出良好的极化特性，这也是极度令人兴奋的。本研究试图通过实验结果和密度泛函理论(DFT)计算结果确定金属掺杂的Ni3S2催化剂OER活性高的原因。本文的研究结果表明，这可以从(1)缺陷形成和(2)Ni的3d-带中心来理解。根据密度泛函理论计算得到的缺陷形成能量和电子结构的研究结果，可以发现两种掺杂剂，Co和Sn，对OER活性的贡献不同：Co掺杂剂不仅本身成为活性位点，而且还使Ni的3d带中心更高，而Sn掺杂剂加速了S空位的形成，使Ni 3d能带中心升高，接近费米能级，从而提升催化剂的OER活性。因此，本文有力的证明了CoSn共掺杂可以使催化剂的OER活性实现最大化，而本文的这一发现也为设计高性能过渡金属硫化物电催化剂用于电解水技术提供了新的可能性。Hierarchically porous Ni foam-supported Co and Sn doped Ni3S2 nanosheets for oxygen evolution reaction electrocatalysts, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09361h.https://doi.org/10.1039/D2TA09361H.
