超亲水-超疏气Ni基材料构建及其电解水制氢性能研究

The wetting properties of electrocatalysts surface are essential for their hydrogen evolution reaction (HER) performance, since the electrocatalytic process involves the interactions between solid, liquid, and gas phase. In this scenario, an electrocatalyst that is superhydrophilic in air and superaerophobic under water would be ideal candidate for HER. The superhydrophilicity favors the electrolyte–electrode diffusion process, while the superaerophobicity promotes the release of hydrogen bubbles. Herein, we attempt to improve the HER performance by the integration of superhydrophilicity and superaerophobicity on the Ni based materials, obtain the superwetting properties by the utilization of hierarchical structure, study the relationship between structural properties and wettability, and identify the connection of wettability and HER parameters. We further seek to answer the central question of the formation mechanism of superwetting surface and how the influence of superwetting properties on HER performance. This project could provide a better understanding for the construction of high performance electrocatalysts.

电解水制氢反应涉及固、液、气三个界面，电极材料表面浸润性对于电解水制氢性能具有重要作用。理想电极材料的表面应该是超亲水和超疏气。超亲水表面有利于电极材料与电解质间的传质和增加两者间的接触面积，超疏气表面则可有效地降低气体附着所产生的负面效应。本项目拟以催化活性高的Ni基材料为研究对象，通过构建阶层结构把超亲水和超疏气结合在同一表面，研究结构与表面特征以及表面特征与电解水制氢参数的关系，继而探索超亲水-超疏气表面的形成机制及其与电解水性能的规律性联系。本项目的实施将为研发高性能Ni基电解水制氢电极材料提供新的思路。

催化剂的合理设计和制备是实现清洁制氢大规模应用的重要途径。催化剂表面的亲水与否直接影响着电解质溶液的浸润情况，进而影响催化剂与电解质溶液间离子的传递效率。催化剂表面的电子结构则决定了催化剂的本征活性，良好的电子构象能促进反应物吸附、稳定中间体和优化反应路径，进而极大的减小反应屏障。在本项目的支持下，从表面浸润性和电子结构角度出发，通过相变、掺杂、制备单原子位点和超亲水四个方面研究影响电解水催化性能和电化学稳定性的关键因素。1）通过调控催化剂成分，成功制备超亲水Ni-Mo合金催化剂。通过改变Mo和Ni的组成比例，Ni-Mo合金表面可以从亲水优化成超亲水。亲水性能从质量传递和电荷传递两个方面促进电解水析氢性能，使得该催化剂展现出优异的电化学活性和稳定性。2）通过调控反应物浓度和反应温度，成功制备NiS2和Ni3S2。不同晶相会显著改变活性位Ni原子电子结构，使其d带中心更靠近费米能级，进而平衡反应中间体的吸附和产物脱附过程。3）通过合理设计反应物，两步法制备了N和Ce双掺杂CoS2。Ce（NO3）3可以同时作为N源和Ce源，在高温硫化过程中形成双掺杂CoS2。双掺杂能显著增强CoS2电催化性能，电流密度达到10mA cm-2时电解水析氧反应过电势为220 mV。4）通过墨水方法，成功在NiS2表面制备Fe单分散催化剂。NiS2和Fe单原子具有较强的相互作用力，使得表面Fe单原子与O形成扭曲的四配位结构，在反应中展现出更强的吸附反应中间体能力。本项目结合实验表征和理论模拟，明确了表面浸润性、相转变、单原子位点和掺杂在电子传输、反应中间体吸附、界面传质过程的作用及其反应热力学与动力学规律，建立了表面特性、电子结构和催化行为的联系，通过先进的方法设计实现高性能电解水体系构建。本项目的实施，不仅有利于发展表面结构设计在电催化中的应用，也将引领相关领域的快速发展。