新方法！他，「七院院士」，18天拿下一篇Angew！构筑异质界面！
百科
2024-12-13 20:54
山西
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设计具有优异催化活性和稳定性的高性能电催化剂对于大规模水电解制氢至关重要。异质结构纳米阵列是很有前途的候选，尽管同时实现高活性和稳定性，特别是在高电流密度下，仍然具有挑战性。西北工业大学黄维院士、艾伟教授等人开发了一种串联反应工艺，构建了一系列具有丰富异质界面的异质结构纳米阵列。该工艺涉及用熔融KSCN和过渡金属盐处理泡沫镍(NF)。最初，NF与KSCN反应形成Ni9S8纳米阵列和S2-离子，这些离子随后被过渡金属离子捕获形成直接集成到纳米阵列上的硫化物，从而产生丰富的异质界面。实验和理论结果表明，这些丰富的异质界面显著增强了纳米阵列内Ni9S8和RuS2之间的界面相互作用（称为RH-Ni9S8/RuS2），显著提高了析氢反应(HER)的固有活性和稳定性。令人印象深刻的是，RH-Ni9S8/RuS2表现出卓越的HER性能，在1000 mA cm-2下实现了仅180 mV的低过电位，并在如此高电流密度的条件下保持了长达500小时的稳定性。这种创新的方法为界面设计和合成用于安培级制氢的高性能催化剂铺平了道路。相关工作以《Cascade Reaction Enables Heterointerfaces-Enriched Nanoarrays for Ampere-Level Hydrogen Production》为题在《Angewandte Chemie International Edition》上发表论文。值得注意的是，该文章从投稿到接收，历时仅18天！图1a以合成RH-Ni9S8/RuS2为例，说明了通过串联反应构建异质结构纳米阵列的过程。在含RuCl3·3H2O的熔融KSCN中处理NF，在200℃下合成了RH-Ni9S8/RuS2。整个过程包括两个不同的化学反应阶段，即CR1和CR2。CR1过程中，NF与KSCN反应生成Ni9S8和S2-，在NF表面形成Ni9S8纳米阵列考虑到KSCN与过渡金属盐反应需要较高的反应温度(如250℃)，Ru3+不参与这一步骤。而CR1中产生的S2-很容易与CR2中的Ru3+发生反应，生成RuS2。这些反应依次发生，表征了典型的串联反应，其中CR1涉及在熔盐中构建Ni9S8纳米阵列，分别仅使用NF和KSCN作为Ni和S的来源。CR2依赖于CR1的完成并自发发生，导致RuS2与Ni9S8紧密耦合，形成强异质界面。在反应过程中，由于界面重构，Ni9S8和RuS2之间的过渡区富含异质界面。这种串联反应通过形成这些过渡区促进了组分的良好混合，并保持了结构的完整性。相比之下，传统的合成Ni9S8/RuS2纳米阵列(称为Ni9S8/RuS2)的方法涉及两个独立的步骤，包括Ni9S8纳米阵列的初始构建，然后是RuS2的沉积，这导致异质界面集成较差(图1b)。SEM图像显示，RH-Ni9S8/RuS2和Ni9S8/RuS2都具有密集排列的纳米棒阵列，平均直径约为200 nm，垂直排列在NF表面(图2a)。与裸Ni9S8纳米棒阵列相比，RH-Ni9S8/RuS2和Ni9S8/RuS2表现出相似的阵列形态，由于RuS2的锚定，表面粗糙度显著增加。TEM进一步表征了样品的详细几何形态。图2b显示，RH-Ni9S8/RuS2和Ni9S8/RuS2都具有核壳结构，与裸露的Ni9S8纳米棒表面光滑不同，RuS2封装了Ni9S8纳米棒。然而，RH-Ni9S8/RuS2中的RuS2外壳显示出牢固粘附在Ni9S8纳米棒核心上的片状结构。Cascade Reaction Enables Heterointerfaces-Enriched Nanoarrays for Ampere-Level Hydrogen Production，Angewandte Chemie International Edition，2024.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.202422393（来源：网络 版权属原作者 谨致谢意）
