金属有机骨架衍生的自支撑Co9S8/Ni3S2纳米片阵列用于高效电催化分解水性能研究
覃彪1，郭芬岈2，黎挺挺*2
（1. 遵义师范学院 化学化工学院，贵州 遵义 563006；2. 宁波大学 材料科学与化学工程学院，浙江 宁波 315211）
采用简单、可控的阳离子交换法和水热法在导电基底上成功构筑了具有自支撑纳米片阵列结构的Co9S8/Ni3S2电催化剂，在碱性电解液（1 mol/L KOH）中，采用三电极体系分别研究了Co9S8/Ni3S2的电催化析氧和析氢性能。在析氧性能测试中，Co9S8/Ni3S2电催化剂获取50、100 mA/cm2的催化电流密度所需要的过电位仅为230、280 mV。而在析氢性能测试中，Co9S8/Ni3S2电催化剂获取-100 mA/cm2的催化析氢电流密度所需的过电位仅为129 mV，同时该催化剂表现出了优异的电催化稳定性，其优异的电催化性能归因于其自支撑纳米片阵列结构，可提供更多的活性位点。自工业革命以来，随着全球人口的激增和工业的快速发展，对能源的需求与日俱增，目前全球的能源结构高度依赖煤、石油和天然气等化石能源，但是化石能源储量有限，无法满足长期的能源供给，而化石能源的燃烧还会产生严重的温室效应及环境污染等问题。另外，现阶段全球正面临着碳达峰和碳中和的双重任务，中国政府在第75界联合国大会上提出：“中国将采取有利的措施力争在2030年前达到CO2排放的峰值，努力争取在2060年前实现碳中和”。以上的现状使得科学家们迫切需要开发清洁的可再生能源来替代传统的化石能源。氢气因具有燃烧值高（1.8 × 105 kJ/kg）和原料来源广泛等优点，且燃烧产物是水，不会造成环境污染，被认为是理想的能量载体。目前工业上广泛采用甲醇重整技术来制取氢气，但是由于生产过程中会产生CO2等含碳物质，不符合氢经济中绿色清洁的理念。利用电能分解水来制取氢气（2H2O → 2H2 +O2）是目前获取氢气的最优方案之一，其过程清洁无污染，还可以将富余的电能转化为化学能储存起来。
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
1.2 实验方法
1.2.1 Co9S8/Ni3S2纳米片阵列的制备
1.2.2 电催化分解水性能测试
电催化分解水性能测试采用三电极体系，以制备得到的Co9S8/Ni3S2/NF作为工作电极，HgO电极和铂丝分别作为参比电极和辅助电极，以1 mol/LKOH水溶液作为电解液，分别采用线性扫描伏安法和计时电流法来评估催化剂的活性和稳定性，电极电化学活性面积采用非法拉第区域的循环伏安曲线测定。在进行电催化测试前需在电解液中连续通氮气30 min，从而排除溶解氧对电催化行为的干扰。本文所涉及的电位单位均以可逆氢电极（RHE）为准。
2 结果与讨论
2.1 Co9S8/Ni3S2/NF电极的形貌与组分表征
2.2 Co9S8/Ni3S2/NF电催化析氧性能研究
为了研究Co9S8/Ni3S2/NF的电催化析氧性能，构建了包含HgO参比电极，铂丝辅助电极和Co9S8/Ni3S2/NF工作电极在内的三电极体系，1 mol/L KOH水溶液作为电解液。线性扫描伏安曲线（图3a）表明，Co9S8/Ni3S2/NF具有优异的析氧性能，获取50、100 mA/cm2的催化电流密度所需要的过电位（η50和η100）分别为230和280 mV。2.3 Co9S8/Ni3S2/NF电催化析氢性能研究
除了其优异的电催化析氧性能，Co9S8/Ni3S2/NF还在碱性电解液中表现出了优异的析氢性能。图4a结果表明，Co9S8/Ni3S2/NF获取-100 mA/cm2的催化析氢电流密度所需的过电位仅为129 mV，远远低于其对照物Co(OH)2/Ni(OH)2/NF的过电位（390 mV）。图4b结果表明，Co9S8/Ni3S2/NF的Rct仅为0.59Ω/cm2，远小于Co(OH)2/Ni(OH)2/NF的Rct值（2.12 Ω/cm2），其原因是双金属硫化物之间的协同效应可优化其电子结构，从而有利于界面间的电子转移。3 结论
本文首先制备了Co-MOF纳米片阵列作为前驱体，再通过阳离子交换反应和水热反应最终构筑了具有纳米片阵列结构的双金属硫化物电催化剂Co9S8/Ni3S2/NF。该催化剂在碱性电解液中表现出了优异的析氢和析氧的电催化性能。采用电化学实验分析得出其优异的性能来自于该复合电催化剂自支撑的纳米片阵列结构，可提供更多的活性位点，并促进界面间电子转移。以上工作为将来设计和制备高效和稳定的基于廉价金属化合物的多功能电催化剂提供了借鉴。引用本文：覃彪，郭芬岈，黎挺挺.金属有机骨架衍生的自支撑Co9S8/Ni3S2纳米片阵列用于高效电催化分解水性能研究[J].化学试剂, 2021, 43(11): 1480-1485.
