在镍泡沫上可控合成Ni?S?纳米结构，以提升HER（氢进化反应）的催化性能

《Applied Surface Science》：Controlled synthesis of Ni 3S 2 nanostructures on nickel foam for improved HER catalytic performance

水热合成法一步制备硫化镍纳米结构并优化其催化性能。通过调控不同浓度的联氨水合物（HZH），成功在镍泡沫载体上形成具有花状多孔结构的Ni3S2纳米阵列，显著提升氢析反应的电化学活性表面积和电催化活性，在10mA·cm-2电流密度下过电位仅46.8mV，并表现出优异的长期稳定性。该研究为可持续制氢中的低成本催化剂开发提供了新思路。

　　本研究围绕氢气生产中的关键反应——氢析出反应（HER）展开，探讨了如何通过优化合成条件来提升镍硫化物（Ni?S?）电催化剂的性能。随着全球对可持续能源的需求不断增长，氢气作为一种清洁、高效的能源载体，受到了广泛关注。其在减少碳排放和替代化石燃料方面的潜力，使得氢气的生产技术成为研究热点。然而，氢析出反应的反应速率较低，限制了其在实际应用中的效率，因此开发高效、低成本的电催化剂成为提升氢气生产可行性的关键。

在众多电催化剂中，贵金属催化剂如铂（Pt）因其优异的催化活性而被广泛使用。然而，其高昂的成本和有限的储量限制了其大规模应用。因此，科研人员不断寻求替代材料，以实现高效、经济、可持续的氢气生产。镍硫化物因其成本低廉、资源丰富以及在HER中的良好催化性能，逐渐成为研究重点。尤其是在碱性条件下，其表现出优异的电催化活性和稳定性，这为氢气生产提供了新的可能性。

目前，合成Ni?S?纳米结构的方法多种多样，包括水热法、热退火、固态反应、前驱体的原位硫化、离子交换、沉淀、激光照射和电沉积等。其中，水热法因其能够在温和条件下精确控制产物的形貌、结构和纯度，成为一种高效且广泛应用的合成手段。通过调节水热反应的参数，如反应温度、时间、前驱体浓度和还原剂种类，可以实现对产物结构的精细调控。这不仅有助于提升催化剂的活性，还能增强其稳定性和耐用性，从而提高整体的氢气生产效率。

在水热法合成过程中，还原剂的选择和浓度对产物的形貌和性能具有重要影响。例如，肼水合物（HZH）因其强还原性和在核形成与生长过程中的作用，被广泛用于水热合成。HZH浓度的改变可以影响Ni?S?纳米结构的生长方式，进而决定其最终的形态。不同的HZH浓度可以导致形成不同类型的纳米结构，如纳米球、纳米棒和纳米片等。这些结构不仅增加了活性位点的数量，还改善了电荷转移效率，从而提升HER性能。

本研究通过水热法合成了一种新型的Ni?S?纳米结构，其生长在镍泡沫（NF）基底上。通过调节HZH的浓度，研究者发现其对Ni?S?@NF电极的表面形貌、结晶度和催化活性具有显著影响。在HZH浓度为5 mL的情况下，Ni?S?@NF电极表现出最佳的电化学性能，包括最高的电化学表面积（ECSA）、最低的过电位（46.8 mV at 10 mA·cm?2）、最小的电荷转移电阻（Rct = 2.74 Ω）以及最佳的HER动力学（塔菲尔斜率：62.3 mV·dec?1）。这些性能指标均优于之前报道的基于Ni?S?的HER催化剂。

进一步的耐久性测试表明，Ni?S?@NF电极在连续运行48小时后表现出轻微的电流下降，但仍保持较高的催化活性。这表明该材料在实际应用中具有一定的稳定性，为可持续氢气生产提供了可靠的候选材料。研究结果强调了HZH浓度在调控Ni?S?@NF电极形貌和电化学性能中的关键作用，同时也为未来开发高性能、低成本的HER催化剂提供了重要的理论支持和实践指导。

在实验过程中，研究人员首先对镍泡沫进行了预处理，以去除表面的氧化物，随后将其浸入含有HZH、乙二醇和硫化钠的溶液中。通过水热反应，形成了具有多孔结构的Ni?S?纳米簇。这些纳米簇的形貌和结构对HER的性能具有直接影响。多孔结构不仅增加了电极的比表面积，还提供了更多的活性位点，使得反应物能够更有效地接触催化剂表面，从而提升反应效率。此外，镍泡沫的三维多孔结构有助于改善电子传输效率，使得催化剂能够更有效地进行氧化还原反应。

本研究的创新之处在于，通过系统的实验设计和参数调节，揭示了HZH浓度对Ni?S?@NF电极性能的调控机制。研究者发现，HZH不仅影响Ni?S?纳米结构的形成，还对电极的电化学性能具有深远影响。通过调整HZH的浓度，可以优化催化剂的表面形貌、结晶度和活性，从而实现更高的HER效率。这一发现为未来的催化剂设计提供了新的思路，即通过精确控制合成条件，可以实现对催化剂性能的优化。

此外，本研究还探讨了Ni?S?@NF电极在不同条件下的稳定性。耐久性测试表明，该电极在长时间运行后仍能保持较高的催化活性，这表明其在实际应用中具有良好的稳定性。这一特性对于工业规模的氢气生产至关重要，因为电催化剂需要在高电流密度和长时间运行下保持性能不变。因此，本研究不仅关注催化剂的活性，还关注其稳定性和耐用性，为实际应用提供了全面的评估。

本研究的结果表明，HZH浓度是影响Ni?S?@NF电极性能的关键因素。通过系统的实验分析，研究者发现HZH浓度的变化能够显著影响催化剂的形貌和电化学性能。这一发现不仅有助于理解HZH在水热合成中的作用机制，还为未来开发更高效的HER催化剂提供了重要的理论依据。同时，研究者还强调了Ni?S?@NF电极在可持续能源体系中的潜力，特别是在氢气生产领域。

总的来说，本研究通过水热法合成了一种具有优异性能的Ni?S?@NF电极，并系统地分析了HZH浓度对其性能的影响。研究结果表明，HZH浓度的调控能够显著提升催化剂的活性、稳定性和电化学性能，使其成为一种有前景的HER电催化剂。这一发现不仅为氢气生产技术的发展提供了新的方向，也为未来的催化剂设计和优化提供了重要的参考。同时，研究者还强调了在实际应用中，催化剂的性能和稳定性同样重要，这为推动氢气生产技术的工业化应用提供了坚实的基础。