我国科研突破！国际顶尖杂志刊载制氢催化剂成果
近日，国际顶尖学术杂志《Advanced Materials》发表我国科研人员关于制氢催化剂的最新研究成果。
论文标题：Enhancing Oxygen Evolution Electrocatalysis in Heazlewoodite: Unveiling the Critical Role of Entropy Levels and Surface Reconstruction
作者：Hangning Liu, Xinghang Liu, Anbang Sun, Cuijuan Xuan, Yingjun Ma, Zixuan Zhang, Hui Li, Zexing Wu, Tianyi Ma, and Jie Wang等人。
青岛农业大学化学与药学院毕业本科生刘航宁、在校研究生刘兴行和山东非金属材料研究所孙安邦为该论文共同第一作者；青岛农业大学化学与药学院王杰教授、玄翠娟教授以及澳大利亚皇家墨尔本大学马天翼教授、青岛科技大学吴则星教授为该论文共同通讯作者。
摘要
在全球积极寻求可持续能源的大背景下，氢能作为一种极具潜力的清洁能源，有望助力实现向低碳未来的转型。通过电化学水分解制取氢气，因其零碳排放的优势，成为了绿色制氢的重要途径。
然而，这一过程中的析氧反应（OER）却面临着反应动力学缓慢的难题，需要较高的过电位来克服能垒，这不仅增加了能源消耗，还降低了水分解技术的整体效率。
目前，贵金属催化剂虽表现出优异的 OER 活性，但因其稀缺、成本高和耐久性有限，难以大规模应用。因此，开发高效、低成本且资源丰富的替代催化剂成为了研究的关键。
在这样的研究热潮中，过渡金属基催化剂脱颖而出，其中过渡金属硫化物因其高活性位点密度、高导电性和可调节的电子结构备受关注。
像硫镍矿（Ni3S2）在 OER 过程中会发生表面转变，生成的氢氧化氧镍（NiOOH）被认为是真正的电催化活性位点，这种表面重构能够增强催化活性。
与此同时，高熵材料作为一类新兴的电催化剂，因其独特的化学环境和高构型熵，具备可调节的电子结构和高密度的活性位点，在催化领域展现出巨大的潜力，不过其在 OER 中的应用仍处于起步阶段，熵工程对催化剂的影响以及反应过程中界面的动态演变机制尚不明确。
中国科研人员一项创新性的研究成果为这一领域带来了新的突破。研究团队通过一种原位腐蚀策略，成功地将泡沫镍（NF）基底上的低价镍转化为高熵硫镍矿（HES/NF）。
这一过程如同一场神奇的 “化学魔术”，在高温高压条件下，硫代乙酰胺分解产生的硫化氢水解，形成腐蚀性环境，使 NF 在缺陷位点优先腐蚀。
随着氢离子逐渐消耗，腐蚀过程受到抑制，杂金属离子与硫离子结合并沉积在 NF 表面，最终形成了 HES/NF。这种材料在 NF 表面呈现出密集的纳米针阵列形态，直径约为 100 纳米，极大地增加了电化学活性面积。
研究人员深入探究了不同熵水平的硫镍矿催化剂，通过一系列先进的表征技术，如原位电化学阻抗谱（EIS）、非原位扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）等，发现 HES/NF 在连续的 OER 过程中会动态地转变为稳定的氢氧化物 - 硫化物复合物（HES - MOOH）界面，同时伴随着晶格畸变。
这一转变就像是为催化剂 “解锁” 了强大的性能提升密码，优化了静电势分布，增强了催化剂的稳定性，同时保持了优异的 OER 活性。
从性能数据上看，HES/NF 的表现十分惊艳。
在电流密度为100.0 mA cm−2时，其过电位仅为 172.0 mV，在极端电流密度300.0 mA cm−2下，过电位也仅为 229.0 mV，远低于其他低熵催化剂。
其 Tafel 斜率为47.6mVdec−1，电荷转移电阻低至 3.7 Ω，表明其反应动力学更快，电子转移效率更高。
而且，HES/NF 的稳定性极佳，在 140 小时的测试中，电位变化极小，相比之下，商业RuO2在 16.7 小时后电位就急剧上升，Ni3S2/NF在 100 小时后电位也明显增加，稳定性较差。
密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了其中的微观机制。高熵体系的形成使 HES/NF 的 d 带中心向费米能级上移，增强了对OH∗的吸附。表面演化形成 HES - MOOH 后，d 带中心进一步上移，降低了反键态的电子密度，增强了对含氧中间体的吸附强度。
同时，电荷分布分析表明，表面演化过程中的电荷重新分布有助于提高电催化稳定性，且不影响 OER 活性。
研究人员还将 HES/NF 应用于实际的水电解实验，构建了简单的水电解槽。
在以 HES/NF 为阳极、Pt/C 为阴极、1 m KOH 溶液为电解液的体系中，HES/NF 展现出优异的水分解活性，在100.0 mA cm−2的高驱动电流密度下，电压仅为 1.58 V。
在模拟海水环境中，其表现同样出色，所需的电池电压更低，仅为 1.46 V，且在 240 小时的连续运行中保持稳定的电位，证明了其在实际应用中的巨大潜力。
在当今追求可持续能源的时代，电解水制氢技术成为科研领域的关键焦点。
本研究成功攻克了高熵硫化物在析氧反应（OER）过程中熵调制和动态重构的难题，深入揭示了熵、表面重构以及电催化活性之间的内在联系。
研究中制备的 HES/NF 催化剂性能卓越，在 OER 反应中展现出极低的过电位，这为先进电催化剂的设计提供了全新的思路，开辟了新的方向。
凭借其优异表现，HES/NF 催化剂有望在储能和转换技术领域取得重大突破，对推动清洁能源的发展具有重要意义，让人类在迈向可持续能源未来的道路上又前进了坚实的一步。
这项研究以电解水制氢技术为核心，是团队 “绿电 - 绿氢 - 绿氨” 全链条创新路径的关键环节。它对于重构农业氮肥供应链、促进农业与能源系统的低碳协同转型，发挥着至关重要的支撑作用。
若您希望获得更深入专业的见解，诚挚推荐阅读原作，以获取更全面的信息。