ACS Nano：高电流密度水电解的超疏气/超亲水多维电极系统

水电解是一种具有代表性的、可靠的清洁能源，是一种有前途的绿色制氢可再生能源技术。从经济和工业的角度来看，开发地球丰富的非贵金属基催化剂和双功能催化剂是至关重要的，这些催化剂可以同时在析氢反应(HER)和析氧反应(OER)中表现出较高的催化活性和稳定性;然而，迄今为止，这些类型的催化剂尚未被构建，特别是在工业水平上用于高电流密度的水电解。本研究通过界面工程和形貌工程的方法制备了一种异质结构的零维(0D)~一维(1D) PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ (PBSCF)-Ni3S2作为自支撑型催化电极。PBSCF-Ni3S2体系的这种独特的异维纳米结构具有超疏氧/超亲水特性，并最大限度地暴露了高活性的异质界面，使PBSCF-Ni3S2电极在HER和OER中都具有出色的电催化性能，并且在高电流密度(500 mA cm-2, 500 h)下的全水解过程中具有出色的操作稳定性。这项研究为高效稳定的大规模制氢系统的催化电极的发展提供了重要的见解。

(a) PBSCF-Ni3S2合成示意图。(b) PBSCF-Ni3S2的SEM和(c) TEM图像。(d) PBSCF-Ni3S2的HRTEM图像，包括PBSCF和Ni3S2相。(d)中标记区域对应的(e) Ni3S2(红色)和(f) PBSCF(蓝色)的HRTEM放大图像。(g) PBSCF-Ni3S2的EDS元素映射图像。

(a)PBSCF-Ni3S2、Ni3S2和PBSCF的XRD谱图和(b)拉曼光谱。(b)中的虚线来引导Ni3S2特征峰的移位。(c)PBSCF与Ni3S2界面电荷密度差图。电荷密度差图中的电荷积累和电荷耗尽分别用透明的橙色和绿色表示。异(PBSCF-Ni3S2)和单(Ni3S2或PBSCF)结构电催化剂的高分辨率XPS光谱:(d)Ni 2p， (e)Co 2p/Ba 3d， (f)Fe 2p。虚线表示XPS峰位置的变化。

(a) PBSCF-Ni3S2、Ni3S2、PBSCF、Ni泡沫和Pt/C对HER的极化曲线和(b)相应的Tafel图。(c)在100、500和1000 mA cm-2的电流密度下，PBSCF-Ni3S2用于HER的恒流曲线。(d) PBSCF-Ni3S2、Ni3S2、PBSCF、Ni foam和IrO2对OER的极化曲线和(e)相应的Tafel图。(f) PBSCF-Ni3S2在不同电流密度(100、500和1000 mA cm-2)下的OER恒流分布图。(g) PBSCF-Ni3S2的HER和OER活性与最近报道的高性能双功能电催化剂的比较。(h) H2和O2在特定过电位下的TOF。(i) PBSCF-Ni3S2、Ni3S2、PBSCF和Ni泡沫在−0.25 V (HER)和1.57 V (OER)下的几何和ECSA归一化电流密度。

电极表面气泡释放行为。(a) Ni泡沫，(b) Ni3S2， (c) PBSCF-Ni3S2上生成气泡的图像。虚线圈表示产生的气泡。(d) Ni泡沫、(e) Ni3S2和(f) PBSCF-Ni3S2中气泡的尺寸分布。(g) Ni泡沫，(h) Ni3S2， (i) PBSCF-Ni3S2在水中不同时间的气泡接触角。

(a) PBSCF-Ni3S2∥PBSCF-Ni3S2系统全水解示意图。(b) PBSCF-Ni3S2∥PBSCF-Ni3S2和Pt/C∥IrO2偶联电极在1 M KOH条件下全水解的极化曲线。虚线表示电池电压在100和500 mA cm- 2。(c)PBSCF-Ni3S2∥PBSCF-Ni3S2生成的H2和O2气体量(分别为黑色和红色圆点)与理论计算量(分别为黑色和红色圆点)对比。(d)PBSCF-Ni3S2∥PBSCF-Ni3S2和Pt/C∥IrO2在500 mA cm-2恒流密度下的长期稳定性试验。(e)在高电流密度为100和1000 mA cm-2时，PBSCF-Ni3S2与先前报道的电催化剂的电池电压之间的比较。

(a)HER在Ni3S2和PBSCF-Ni3S2上自由能图。(b)PBSCF和PBSCF-Ni3S2上的OER在外部电位U=1.23 V时自由能图。(c)Co-3d在PBSCF和PBSCF-Ni3S2中的态偏密度，Ni-3d在Ni3S2和PBSCF-Ni3S2中的态偏密度。

本研究通过异质结构界面和形态学工程技术，制备了一种由PBSCF纳米颗粒修饰的Ni3S2纳米棒组成的多维/异维电极。PBSCF/Ni3S2异质界面上的强电子耦合效应使催化活性位点得以重建，从而实现了高HER和OER动力学。此外，PBSCF-Ni3S2独特的异维结构有助于丰富的活性位点暴露和气泡释放。因此，PBSCF-Ni3S2电极表现出异常高的HER和OER，分别需要21和186 mV的低过电位才能达到10 mA cm-2的电流密度。此外，作为一种双功能电催化剂，PBSCF-Ni3S2∥PBSCF-Ni3S2体系在10、100、500和1000 cm-2下的电池电压分别为1.438、1.615、1.756和1.793 V，在500 mA cm-2电流密度下，运行稳定性优于500 h。因此，本研究为高效水电解催化电极的开发提供了指导。

Superaerophobic/Superhydrophilic Multidimensional Electrode System for High-Current-Density Water Electrolysis | ACS Nano

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c12533