從長遠來看，氫能源在未來必將代替傳統化石燃料，于能源利用的各個方面產生革命性的影響。氫能源的利用會帶動一大批新型能源產業鏈，其上游便是如何制氫。

電解水可以通過可再生能源驅動，將水高效電化學裂解為氫氣，因此是一種清潔的制氫途徑。一般來說，水電解有兩個半反應：陽極析氧反應（OER）和陰極析氫反應（HER），由于OER和HER的動力學反應緩慢，因此需要高效的電催化劑，降低過電位，加快反應速度。

就催化劑而言，HER最好的催化劑的Pt，OER最好的催化劑是IrO₂或RuO₂，但它們都是貴金屬，資源稀缺且造價高昂，無法用于廣泛的商業化應用。與此同時，兼具HER和OER高催化活性雙功能催化劑的出現，為電解水打開了一扇新的大門。

此外，大部分電解水的文章，其電解液均為堿性，很少有在酸性甚至是中性條件下的電解。而酸性和堿性這種極端pH電解質通常會降低催化劑的穩定性，以及引起設備的腐蝕問題，從而限制了電解池組件和電極的類型。因此，開發一種兼備HER和OER，同時可以在各種pH值下電解水的雙功能催化劑迫在眉睫。

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因此，北京師范大學馬淑蘭及其合作者在鎳泡沫上構建了MoS2/Co9S8/Ni3S2多級結構雙功能催化劑，通過調節前驅體CoSO4·7H2O和Na2MoO4·2H2O的摩爾比，可進一步優化得到CoMoNiS-NF-xy復合材料。

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作者首先在鎳泡沫上制備了Ni3S2納米棒，然后在納米棒上再生長了MoS2和Co9S8納米片。在XRD中，方框代表Ni (JCPDS No. 04-0850)，三角形代表著六方Ni3S2相(JCPDS No. 44-1418)，圓圈代表Co9S8，五角星代表MoS2 (JCPDS No. 37-1492)。

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上圖a-c為Ni3S2/NF，d-f為Co9S8/Ni3S2/NF，g-i為MoS2/Ni3S2/NF，j-l為CoMoNiS-NF-31。可以看到鎳泡沫的三維結構，無論是長棒狀的Ni3S2，還是再長二維片狀的金屬硫化物，均能得到良好保持。

在HRTEM中，0.28和0.19 nm對應著Co9S8的(222)和(511)晶面，0.41, 0.29和0.24nm對應著Ni3S2的(101), (110) 和(003) 晶面，0.62 nm對應著MoS2的(002)晶面。

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堿性條件下的HER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF-21 > CoMoNiS-NF-41 >CoMoNiS-NF-51 > CoMoNiS-NF-12 > CoMoNiS-NF-11 > CoMoNiS-NF-13 >MoS2/Ni3S2/NF > Co9S8/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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可以看到CoMoNiS-NF-31的活性最高，η10 = 113 mV，塔菲爾斜率為85 mV?dec^?1。

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堿性條件下的OER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF-41 > CoMoNiS-NF-51 >CoMoNiS-NF-21 > Co9S8/Ni3S2/NF > CoMoNiS-NF-11 > CoMoNiS-NF-12 > CoMoNiS-NF-13> MoS2/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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可以看到CoMoNiS-NF-31的活性最高，η10為166 mV。其電解水的電壓為1.540 V，低于其它材料。

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酸性條件下的HER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF21 > CoMoNiS-NF-11 >MoS2/Ni3S2/NF ～ CoMoNiS-NF41> CoMoNiS-NF-51 ～ CoMoNiS-NF-12> CoMoNiS-NF-13>Co9S8/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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酸性條件下的OER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF-21 > CoMoNiS-NF-41 >CoMoNiS-NF-11 > CoMoNiS-NF-51 > CoMoNiS-NF-12 > CoMoNiS-NF-13 >Co9S8/Ni3S2/NF ?MoS2/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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CoMoNiS-NF-31在酸性條件下電解水的電壓為1.45 V。

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中性條件下的HER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF-21 > CoMoNiS-NF-11 > CoMoNiS-NF-12> CoMoNiS-NF-13 > CoMoNiS-NF-41 > CoMoNiS-NF-51 > MoS2/Ni3S2/NF> Co9S8/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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中性條件下的OER活性：CoMoNiS-NF-31 > CoMoNiS-NF-21 > CoMoNiS-NF-41 > CoMoNiS-NF-51> CoMoNiS-NF-11 > CoMoNiS-NF-12 > CoMoNiS-NF-13 > Co9S8/Ni3S2/NF ?MoS2/Ni3S2/NF > Ni3S2/NF。

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CoMoNiS-NF-31在中性條件下電解水的電壓為1.80 V。

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DFT計算：在Co9S8(100)/MoS2界面處，由于Co?S鍵的形成，電子會從Co9S8轉移到MoS2。

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吉布斯自由能計算：對于OER來說，如果材料中沒有MoS2，反應的決速步為OOH*中間體的形成，過電位為1.45 V；而Co9S8/MoS2材料OER反應的決速步為OH*中間體的形成，過電位為0.86 V。

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該工作以“Hierarchical Nanoassembly of MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni as a HighlyEfficient Electrocatalyst for Overall Water Splitting in a Wide pH Range”為標題于2019年6月24日發表在國際頂刊J. Am. Chem. Soc.上。

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Hierarchical Nanoassembly of MoS2/Co9S8/Ni3S2/Ni as a Highly Efficient Electrocatalyst for Overall WaterSplitting in a Wide pH Range. (J. Am. Chem. Soc., 2019，DOI: 10.1021/jacs.9b04492)

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原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.9b04492