双金属磷硫复合物（NiFeSP）：一种新型高效的光驱动全水分解催化剂

kousuoyin

太阳光驱动水分解是实现太阳能转化生产清洁可再生氢能的理想方法，同时也是解决未来能源与环境危机的理想途径之一。然而，目前大多数光电材料的光解水效率低，远远达不到实际应用的需求。电催化剂对加快这些反应的进程、提高相关能源器件的效率起到关键的作用。目前常用的析氢/析氧反应催化剂是贵金属Pt或Ir/Ru材料，然而这些贵金属催化剂不仅价格昂贵而且储量少，大大限制了其商业化应用前景。

近年来，人们发现基于Ni、Fe、Co、Cu和Mo的二元单金属磷/硫化物表现出很高的催化活性。另外，双金属[NiFe]氢氧化物具有高度活泼的双金属活性中心，由此也表现出极好的析氢性能。因此，近年来基于双金属建立的三元双金属磷/硫化物（NiCoP、NiCo2S4、NiFeS）得到人们的重视。实验证明，基于双组分的协同作用，该材料能进一步增强催化效果。此外，人们也对三元单金属磷硫化物（MoP/S、CoS/P、FePS3和CoPS）进行了研究，由于磷和硫之间的相互置换能大大增加活化位点，该类材料也表现出很好的催化活性。受这些研究的启发，华东师范大学的张中海教授课题组就设计了一种双金属磷硫化物催化剂（NiFeSP/NF）。在该体系中，金属-磷、金属-硫键的同时形成能优化材料的电子结构、平衡表面吸附/脱附自由能，从而增强全解水的活性。

通过密度泛函理论计算可知，NiFeSP的吉布斯自由能（-0.13 eV）非常接近铂材料，另外，其水吸附能为-0.49 eV，也表现出很好的水吸附能力。实验证明，这种具有类石墨烯结构的NiFeSP是一种性能优异的双功能材料，在碱性溶液中，其析氢过电位是91 mV（−10 mA•cm−2, 150 mV at −50mA•cm−2)，析氧过电位是240 mV（50 mA•cm−2）。另外，这种材料在10 mA•cm−2的电流密度下，全解水的电压低至1.58 V，并在电解25 h之后仍能稳定存在。最后，他们将NiFeSP/NF与商业化的硅太阳能电池联用，在1.6 V电压、AM 1.5G太阳光的照射下实现了7.5 mA•cm−2的光电流和9.2%的光氢转化效率。另外，他们将NiFeSP修饰到BiVO4和Cu2O光电极表面，其光电化学水分解的性能也明显提高。

图1.（a）（b）NiiFeSP/NF双功能催化剂全解水性能的测定；（c）（d）太阳光驱动下全解水性能的测定；（e）（f）修饰在光电材料上光解水性能的测定。

该工作不仅为寻求高效、稳定和廉价的催化剂提供了新的思路，而且拓展了催化剂在光驱动水分解方面的应用。相关研究成果近期发表在ACS Nano 上。