为简化电解水催化剂的合成过程和优化电解水操作系统,双功能电解水催化剂的研究,特别是在碱性条件下同时具有优异催化氢析出和氧析出反应性能的双功能电催化剂的研究尤为重要.其中,过渡金属硫化物,特别是CoNi硫化物,被报道有与氢化酶类似的催化活性中心,从而具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.虽然有关对过渡金属硫化物的研究很多,但主要集中在具有一维纳米线和二维纳米片形貌结构的过渡金属硫化物.不幸的是,这些形貌结构的过渡金属硫化物在电催化过程中容易聚集和受限于电荷传输能力.三维纳米结构的材料具有较大的比表面积以分布更多的活性位点和拥有良好的电子传输能力,所以,开发三维纳米结构的过渡金属硫化物材料可能是改进其催化电解水性能的一个好途径.本文采用简单的两步水热法,通过硫化合成的CoNi前体得到了长于泡沫镍上的三维百合花状的CoNi_2S_4(CoNi_2S_4/Ni).它只需要54 mV的过电位即可获得10 mA cm^(-2)的催化氢析出反应电流,是最好的碱性催化氢析出反应电极材料之一.它在驱动100 mA cm^(-2)的催化氧析出反应电流时也只需要328 mV的过电位.另外,把CoNi_2S_4/Ni分别作为阴极和阳极组装成双电极碱性水电解槽时,它只需要1.56 V的电压即可获取10 mA cm^(-2)的催化全电解水电流并具有良好的催化全电解水稳定性.扫描电子显微镜、透射电子显微镜和N_2吸脱附曲线测试结果表明,该三维百合花状的CoNi_2S_4/Ni的表面粗糙度高和拥有多孔特性.多孔结构的CoNi_2S_4/Ni可提供更多可接触的催化活性位点,也有利于催化过程中的电解质和生成的气体的扩散与传递.交流阻抗图谱测试结果表明,CoNi_2S_4/Ni具有良好的电子传输能力.另外,不同于前期对尖晶石结构的硫化物AB_2S_4的研究结果,XPS结果表明,CoNi_2S_4/Ni中含有Ni^(б+)和S^(б–)活性物种,表明CoNi_2S_4具有与活性氢化酶类似的活性中心.Ni^(δ+)和S^(δ–)可分别作为氢氧根和质子的接收体,协助促进吸附的水分子的分离,从而提高材料的催化性能.所以,Ni^(δ+)和S^(δ–)活性物种的出现,大比表面积的三维百合花状多孔结构和良好的电荷传输能力等特性集合于CoNi_2S_4/Ni上使得CoNi_2S_4/Ni具有优异的催化氢析出和催化氧析出反应性能.
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