重庆大学李猛课题组 Small：调控仿生微纳陷光异质界面的电子态以促进全水解反应动力学

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电解制氢是一种非常极具前景的储能技术，其被广泛得用于储存风能、太阳能等间歇性能源。它由两种电化学反应构成，分别为发生在阴极的析氢反应（HER）和发生在阳极的析氧反应（OER）。但其反应的阴阳两极亟需有效的方法以降低反应所需电压，减小产氢所需能耗。目前，更多的研究聚焦在催化剂材料的选择和改性方面，而关于通过引进丰富的太阳能光热场，利用催化剂特有的仿生结构进行光热转换，以降低全水解的反应能垒，促进全水解的反应动力学鲜有研究。自然界中的太阳花具有独特的微纳陷光结构，能有效地吸收太阳光用以自身的光合作用。

重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室李猛课题组模仿太阳花花瓣的微纳结构，制备了一种具有陷光微纳结构的全水解纳米催化剂，其具有高效的太阳能光热转换效率，有效地降低反应所需电压，减小产氢所需能耗。同时，作者结合异质界面工程、形貌工程和电极结构设计等策略对催化剂进行多尺度、多维度的设计和改性，合成出具有三维独特仿生结构的催化剂（MoS₂/Ni₃S₂@CA）。以此为基础，作者还引入光域跟踪FDTD（时域有限差分）的模拟研究方法，证明了所合成的仿生太阳花微纳陷光结构催化剂对光具有很好的吸收特性。以及作者运用第一性原理（DFT）对异质结催化剂（MoS₂/Ni₃S₂）进行如何通过电子层级的调控来促进催化性能的研究。本研究采用学科交叉的研究思路，利用数值计算和实验相结合的方法探究了仿生微纳结构催化剂促进全水解的机理研究。该研究近期以 “Modulating Surface Electron Density of Heterointerface with Bio-inspired Light-Trapping Nano-structure to Boost Kinetics of Overall Water Splitting”为题在期刊Small上发表，文章通讯作者为重庆大学李猛副教授，第一作者为重庆大学硕士研究生张奔。

图1 基于太阳花的微观结构进行光域跟踪（FDTD）模拟分析

图2 三维催化剂（MoS₂/Ni₃S₂@CA）的结构表征与DFT（第一性原理）理论计算

【总结】

工作设计了一种新型太阳花微纳陷光结构的双功能电极材料(Ni₃S₂/MoS₂@CA)，具有高效的光热转换效率，改善了水裂解动力学，有效降低了电荷转移阻力。基于时域有限差分(FDTD)模拟和密度泛函理论(DFT)计算，其优异的催化活性可归因于以下几个方面:

• 具有三维多级孔隙结构的柔性基底(CA)可以增加催化剂纳米片的锚固位点，减少气泡粘附，加快气泡与电解质的转移过程。

• 这些微型太阳花状结构能更好地捕获吸收阳光，并能高效、快速地将光转化为热，提高了电子传输效率和催化活性。

• 通过Ni-Mo键形成异质界面调控MoS₂在费米能级附近的电子态，优化了反应过程各种中间体(H*，OH*，O*，OOH*)的自由能。

• Ni₃S₂/MoS₂@CA的类金属导电性和高亲水性改善了电子传递和传质。

本研究针对全水解催化剂，合理构建仿生太阳花的微纳陷光结构，实现其高效的光热转化以促进反应动力学，开辟了一条新途径促进水的裂解，并加快了非贵金属全水解电催化剂的发展。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202205431

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