多级核壳结构NiCoS/Co/CuO/CF纳米阵列的构建及其高效全解水双功能电催化性能研究

本研究针对传统贵金属催化剂成本高、储量少的问题，通过表面氧化、高温煅烧和电沉积等技术，在泡沫铜基底上构建了具有核壳结构的NiCoS/Co/CuO/CF纳米阵列双功能电催化剂。该材料在碱性条件下表现出优异的全水解性能：OER过电位仅需259 mV（10 mA cm?2），HER过电位低至141 mV（10 mA cm?2），两电极体系水解电压1.571 V。其独特的纳米棒-纳米片阵列结构扩大了比表面积，Ni3S2/Co3S4界面耦合加速电子转移，为非贵金属催化剂设计提供了新思路。

　　

随着化石能源过度开发导致的能源危机与环境问题日益严峻，开发高效、低成本的绿色制氢技术成为研究热点。电解水制氢因其零碳排放优势被视为最具前景的氢能制备方案，但其核心瓶颈在于析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的动力学迟缓，需要依赖昂贵的贵金属催化剂（如Ir/Ru和Pt基材料）。如何设计兼具高活性、低成本的非贵金属双功能催化剂，成为推动该技术产业化的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员通过多步协同策略构建了具有多级核壳结构的NiCoS/Co/CuO/CF纳米阵列电催化剂。该研究以导电多孔的泡沫铜(CF)为基底，先后采用表面氧化、高温煅烧形成CuO纳米棒阵列前驱体，再通过电镀钴层提升导电性，最终经电沉积法在纳米棒表面生长NiCoS纳米片，形成独特的"纳米棒-纳米片"分级结构。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等表征手段证实，该结构成功实现了CuO、Co与NiCoS的多界面耦合，其中Ni₃S₂与Co₃S₄的协同作用显著提升了电荷传输效率。

合成与表征
通过系统性表征发现：CuO纳米棒阵列为NiCoS纳米片提供了三维支撑骨架，使比表面积显著增加；X射线光电子能谱(XPS)分析显示Ni²⁺/Ni³⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原对的共存有利于催化活性提升。电化学测试表明，该催化剂在1 M KOH电解液中表现出卓越的双功能特性：OER在10和100 mA cm^?2电流密度下的过电位分别仅为259和290 mV，HER在10和50 mA cm^?2时过电位低至141和192 mV。两电极体系测试显示，其全水解电压在10 mA cm^?2时仅需1.571 V，且能稳定运行70小时。

结论
该研究创新性地通过界面工程构建了多级核壳纳米阵列结构，其性能优势源于三方面：(1)CuO纳米棒与NiCoS纳米片形成的分级结构大幅暴露活性位点；(2)Co中间层有效改善了电极导电性；(3)Ni₃S₂/Co₃S₄界面耦合优化了电子结构。这项工作为开发非贵金属双功能催化剂提供了新范式，论文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

技术方法
关键技术包括：泡沫铜基底预处理、表面氧化合成Cu(OH)₂纳米棒、高温煅烧转化为CuO、电镀钴层修饰、恒电位电沉积NiCoS纳米片。采用三电极体系进行电化学测试，通过线性扫描伏安法(LSV)、电化学阻抗谱(EIS)和计时电位法评估催化性能。

研究意义
该催化剂性能接近商用贵金属催化剂，但成本不足其1/20。其设计思路突破了传统二元硫化物的局限性，通过三元硫化物界面调控实现了电子结构的精准优化。这种"导电基底-金属过渡层-活性组分"的三元结构设计策略，可拓展至其他能源转换材料的开发，对推动绿色氢能产业化具有重要参考价值。