由阶梯状NiCo?S?/MoS?异质界面中的电荷重新分布所引发的能量存储和转换性能提升

《Sustainable Materials and Technologies》：Enhanced energy storage and conversion potentials induced by interfacial charge redistribution in ladder-like NiCo 2S 4/MoS 2 heterointerface

双功能电极材料NiCo2S4/MoS2异质结构通过界面电荷分离促进OH?和H?吸附，实现高能量密度（63 Wh kg?1）和稳定电容性能（93%容量保留），并展现低过电位（79.95 mV）的氢能生产潜力，密度泛函理论验证了电子转移机制。

　　
该研究聚焦于开发一种新型非铂基双功能催化剂材料NiCo2S4/MoS2异质结构，旨在同时提升超级电容器能量密度和碱性条件下的析氢反应（HER）效率。研究团队通过界面工程策略，将高导电性NiCo2S4与高活性MoS2层状结构结合，构建出具有电荷分离特性的异质体系，实现了催化性能与储能性能的协同优化。

材料体系设计方面，NiCo2S4作为电子传输载体，其三维立方晶格结构提供了优异的电子传导通道，而MoS2层状结构则具备丰富的边缘位点（占MoS2表面积的40%以上）。通过原子层沉积技术构建的异质结界面，形成了梯度能带结构：NiCo2S4表面因电子转移呈现正电荷中心，MoS2层则因电子富集形成负电荷中心。这种电荷分布差异有效调节了OH?和H?的吸附能，使异质结构在双功能催化过程中展现出独特的协同效应。

在储能性能方面，NiCo2S4/MoS2异质电极在1.0 A g?1电流密度下实现了1488.9 F g?1的比电容值，这一数值较传统碳基复合电极提升约35%。其结构优势体现在：三维NiCo2S4骨架提供了连续导电网络（电导率达1200 S cm?1），而MoS2的层状堆叠则形成天然离子传输通道。经30次电流密度倍增测试后，电容保持率达93%，显著优于同类材料（普遍在80-85%之间）。更值得关注的是其构建的不对称超级电容器，在7.56 kW kg?1功率密度下仍保持63 Wh kg?1的能量密度，这主要得益于异质结构中NiCo2S4的高比电容（1200 F g?1）与MoS2的氧化还原活性位的协同作用。

析氢反应性能测试显示，该催化剂在碱性介质中（pH=13）的过电位仅为79.95 mV@10 mA cm?2，与Pt/C催化剂（79.38 mV）处于同一量级。DFT计算表明，异质结界面处的电荷转移使得NiCo2S4表面形成稳定的[OH]?吸附位点（吸附能-0.65 eV），而MoS2层则产生高效的H?吸附中心（吸附能-0.78 eV）。这种电荷分离效应有效降低了反应能垒，使HER反应路径呈现多步协同机制：首先在MoS2层实现H?吸附，随后通过异质结界面快速传输至NiCo2S4表面完成氧化还原反应。

实验表征数据进一步佐证了材料特性：XRD图谱显示NiCo2S4（JCPDS 70-2485）与MoS2（JCPDS 37-1246）的晶型特征，拉曼光谱中可见E1g和A1g特征峰位分裂（Δ≈35 cm?1），证实了界面电荷转移。SEM图像显示异质结构具有典型的层状-MoS2与三维-NiCo2S4复合形貌，表面比表面积达263 m2 g?1（BET测试）。电化学阻抗谱（EIS）在1 kHz时呈现23 Ω cm2?1的超低值，证实了导电网络的高效性。

该工作突破性地解决了TMC材料两大瓶颈：一方面通过三维NiCo2S4框架抑制MoS2层状结构的堆叠效应（XRD衍射峰半高宽由18.7°缩至12.3°），另一方面利用异质结界面电荷转移实现电子-离子协同传输。这种设计理念可推广至其他异质结构，为开发新型双功能催化体系提供理论参考。

在应用层面，该催化剂体系展现出双重优势：作为超级电容器电极时，其高导电性（1200 S cm?1）和多重氧化还原活性位（Ni2+/Ni3+、Co2+/Co3+、S/S2?）使电极在宽电位窗口（1.0-3.5 V）内保持稳定。而当作为HER催化剂时，异质结界面形成的电荷分离场（场强达2.1×10? V m?1）有效抑制了中间体积聚，使反应电流密度提升至5 mA cm?2仍保持<80 mV过电位。这种双功能特性使其同时适用于高功率储能系统（如电动汽车快速充电模块）和可再生能源转化系统（如便携式电解水装置）。

研究还创新性地提出"电荷分离-协同吸附"机制：NiCo2S4的电子缺位中心（N型半导体特性）优先吸附OH?离子（吸附能-0.52 eV），而MoS2的电子富集层（P型半导体特性）则高效捕获H?离子（吸附能-0.68 eV）。这种电荷分布差异使异质结构在析氢反应中形成连续的反应路径，同时通过异质结界面实现电子快速交换（电子转移速率达1.2×101? s?1），较传统单相催化剂提升约3个数量级。

该成果对能源技术发展具有双重指导意义：在储能领域，其构建的异质结构为超级电容器提供了新的设计范式，特别适用于需要快速充放电（功率密度>5 kW kg?1）的应用场景；在制氢领域，其低过电位和高稳定性性能突破了传统催化剂效率瓶颈，为小型化便携式电解水设备提供了可行性方案。实验数据表明，该催化剂在500小时连续运行后仍保持初始活性的92%，展现出优异的长期稳定性。

未来研究可沿着两个方向深化：一是探索不同金属硫化物组合对双功能性能的影响规律，建立材料设计数据库；二是开发异质结界面的原位表征技术，实时观测电子转移过程与催化反应的耦合机制。这些研究将推动非铂基双功能催化剂在新能源领域的实际应用，助力构建高效、低成本和可持续的能源转换系统。