大力發展清潔能源和可再生能源是緩解能源短缺、環境污染和碳排放的誘人戰略。以可再生能源為動力的電解水技術可以將不可靠的、間歇性的可再生能源轉化為清潔高效的氫能源。然而，由于陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)是一個多步驟的電子傳遞過程，因此迫切需要高效的催化劑來克服其緩慢的動力學和較大的過電位。目前，Ru/Ir氧化物和Pt金屬是最優異的OER和HER催化劑，但其稀缺性不利于它們的普遍應用。此外，OER和HER電解質的不匹配使電解水裝置更加復雜。因此，設計具有雙功能的過渡金屬基催化劑迫在眉睫，但仍然具有挑戰性。

河北工業大學張興華和天津大學劉輝(共同通訊)等人提出了一種非金屬原子S與親氧過渡金屬原子Fe的協同調控策略，優化金屬鎳(S-Fe-Ni)的堿性HER和OER性能。

本文采用典型的三電極體系，在1.0 M KOH中評估了催化劑的HER性能。優化后的S-Fe-Ni/NF催化劑在電流密度為10 mA cm^-2時具有25 mV的極低過電位。此外，S-Fe-Ni/NF催化劑在100 mA cm^-2下也具有極低的89 mV的過電位，這優于S-Ni/NF(205 mV)，Fe-Ni/NF(359 mV)，Ni/NF(402 mV)和Pt/C/NF(157 mV)。同樣，OER活性也在1.0 M KOH中進行了測試。首先，S-Fe-Ni/NF的OER循環伏安曲線具有明顯的Ni²⁺/Ni³⁺氧化峰，表明在OER過程中，表面Ni被氧化為價態更高的Ni物質。

更重要的是，S-Fe-Ni/NF催化劑表現出優異的OER性能，在10 mA cm^-2下的過電位為200 mV。即使在100 mA cm^-2時，S-Fe-Ni/NF也具有235 mV的超低過電位，這優于S-Ni/NF(358 mV)，Fe-Ni/NF(287 mV)，Ni/NF(493 mV)和RuO₂/C/NF(466 mV)。基于S-Fe-Ni/NF優異的OER和HER活性，評估了S-Fe-Ni/NF的全水解性能。S-Fe-Ni/NF催化劑在10 mA cm^-2的電流密度下具有1.49 V的超低電壓，這遠遠優于S-Ni/NF(1.68 V)，Fe-Ni/NF(1.74 V)，Ni/NF (1.85 V)和Pt/C||RuO₂/C/NF(1.63 V)，甚至優于大多數的鎳基電催化劑。

此外，還設計了太陽能電池驅動的全水解裝置，在陽光下可以觀察到大量的氣泡，表明S-Fe-Ni/NF催化劑可以作為一種雙功能電催化劑，將不穩定的太陽能轉化為清潔高效的氫能。

優化催化劑對含氧物質的吸附能力對于提高HER和OER性能至關重要。OH結合能通過電化學OH化學吸附進行評估，較低的陽極峰電位表明較強的OH結合。S-Fe-Ni/NF的峰電位(0.261 V)低于Fe-Ni/NF(0.268 V)、S-Ni/NF(0.390 V)和Ni/NF(0.415 V)，表明S-Fe-Ni/NF對OH的結合增強。值得注意的是，OH結合能力的增強主要是由于Fe的摻雜。

此外，基于理論計算和分析，本文提出了S-Fe-Ni催化劑對HER和OER的反應機理。在HER過程中，Fe位點提高了對水的吸附，S原子在O-H中拉動H原子，協同促進H-OH鍵的斷裂，S原子和Fe原子降低了S-Fe-Ni表面的H吸附能。對于OER過程，由S-Fe-Ni催化劑轉化的摻雜S的鎳羥基氧化物具有很強的OH^–吸附，并且S-Fe-Ni和衍生的鎳羥基氧化物形成的界面可以促進^*OH的去質子化，穩定^*OOH中間體，從而提高堿性OER性能。本工作對于推動全水解制氫的大規模應用具有積極意義，并為設計用于全水解的過渡金屬雙功能催化劑提供了新的思路。

Construction of S and Fe co-regulated metal Ni electrocatalyst for efficient alkaline overall water splitting, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09802d.

https://doi.org/10.1039/D2TA09802D.