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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H2O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H2O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(CoS2 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H2O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H2O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CoS2纳米针(Cu-CoS2 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-CoS2 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-CoS2 NNs依然保持着高曲率的纳米针结构,证明了Cu在CoS2 NNs中的原子分散状态.相较于低曲率的Cu掺杂CoS2纳米线(Cu-CoS2 NWs),Cu-CoS2 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-CoS2 NNs具有较好的解离H2O和吸附*H的能力.在1 mol L-1 KOH溶液和10 mA cm-2电流密度下,该催化剂的析氢过电位仅为64 mV,展现出较好的电化学析氢性能.催化剂还表现出非常好的碱性析氢稳定性,在标准氢电势(RHE)-0.18 V下,可在100 mA cm-2电流密度下稳定工作达100 h.综上所述,本文通过诱导局域电场和电子局域化构建了一种协同策略,所制备的Cu-CoS2NNs表现出很好的催化碱性HER性能和应用前景,为碱性HER电催化剂的理性设计提供了一定的参考.
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