铬掺杂诱导相变构建自生长镍硫化物高效双功能电解水催化剂

研究人员通过低温熔盐模板法设计铬掺杂诱导相变的镍硫化物（Cr-NiS/NF），解决了传统过渡金属硫化物制备成本高、活性不足的问题。该催化剂在OER和HER中分别仅需220 mV和243 mV过电位，全水解电压低至1.51 V（10 mA cm?2），DFT计算证实Cr掺杂诱导的NiS（P63/mmc）相变提升催化活性，为开发高效非贵金属电解水催化剂提供新策略。

　　

随着化石燃料污染加剧，开发高效、低成本的可再生能源技术成为迫切需求。电解水制氢因其清洁特性备受关注，但依赖贵金属催化剂（如Pt/C、IrO₂）的高成本制约其应用。镍基硫化物虽具潜力，但传统制备需高温惰性环境，且活性相（如Ni₃S₂）催化性能有限。如何通过简易方法调控材料相结构与电子态以提升催化效率，成为关键科学问题。

中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，提出一种低温熔盐法制备铬掺杂镍硫化物（Cr-NiS/NF）的策略。该方法以KSCN为熔盐介质和硫源，在250 ℃下30分钟即可实现镍泡沫上催化剂的定向生长，无需粘结剂或惰性气体保护。通过Cr掺杂诱导Ni₃S₂向NiS（P63/mmc）相转变，显著提升OER/HER双功能活性，并揭示相变诱导表面重构（生成NiOOH）的机制。

主要技术方法
研究采用低温熔盐法合成NiS@Ni₃S₂/NF前驱体，通过Cr掺杂实现相变调控；利用XRD、XPS等表征材料结构；通过电化学工作站测试OER/HER性能；结合DFT计算分析不同相（Ni₃S₂、NiS-R3m、NiS-P63/mmc）的催化机理。

研究结果

1. 结构表征：XRD证实Cr掺杂将NiS@Ni₃S₂/NF中的Ni₃S₂相转化为NiS（P63/mmc），形成Cr-NiS/NF双相结构（NiS-R3m与NiS-P63/mmc共存）。
2. 电化学性能：Cr-NiS/NF在100 mA cm^?2和50 mA cm^?2电流密度下，OER/HER过电位分别仅220 mV和243 mV，全水解电压（1.51 V@10 mA cm^?2）优于对比样品（1.61 V）。
3. DFT计算：NiS（P63/mmc）相具有更优的OER决速步能垒（0.41 eV）和ΔG_H*（-0.12 eV），理论验证其高活性来源。
4. 表面重构分析：原位拉曼显示Cr-NiS/NF在OER中重构为NiOOH，而NiS@Ni₃S₂/NF生成Ni(OH)₂，前者更利于催化反应。

结论与意义
该研究创新性地通过Cr掺杂诱导相变，将低活性Ni₃S₂转化为高活性NiS（P63/mmc），突破传统硫化物制备的能耗限制。实验与理论结合阐明相变-电子结构-表面重构的协同作用机制，为设计非贵金属双功能催化剂提供新思路。其简易的熔盐法工艺兼具工业化潜力，对推动绿色氢能发展具有重要意义。