堿性條件下水電解制氫是較為常用且發展成熟的方法，如果可以結合可再生能源進行發電，則可以大幅度降低制氫成本。該技術發展的關鍵是如何設計合成高效、廉價的堿性析氫（HER）和析氧（OER）電催化劑，降低電解過程中的能耗，從而提高能源轉換效率。近年來的研究發現，一些過渡金屬硫化物具有優異的HER性能，甚至可與Pt基催化劑相媲美。但在工作電位下，過渡金屬硫化物的表面組成和結構會發生顯著改變，故其催化活性位點的指認仍存在很大爭議。
近日，廈門大學的鄭南峰教授（點擊查看介紹）、傅鋼教授（點擊查看介紹）與臺灣大學的陳浩明教授（點擊查看介紹）團隊利用電化學原位同步輻射表征技術，揭示了工作電位下鎳硫化合物HER催化劑活性中心。研究成果發表在Cell Press旗下的Chem 雜志，該工作的共同第一作者為博士生胡程奕和碩士生馬秋雨。
作者以導電碳布上生長的氫氧化鎳納米片為基底、對苯二硫酚為配體，成功合成出具有平面NiS4配位結構的鎳-硫醇配位聚合物納米片。有趣的是，該材料在堿性析氫測試中存在明顯的誘導期。在保持20 mA?cm-2電流密度的條件下，析氫所需的過電位逐漸降低，約10小時后該催化劑得到完全活化，僅需80 mV即可達到10 mA?cm-2的電流密度，高于文獻中已報道的過渡金屬硫化物的活性。重要的是，該研究發現在電化學活化后鎳-硫醇聚合物催化劑的結構和組成都發生了明顯的變化，在TEM和AFM顯示納米片厚度顯著減小的同時，EDX和元素分析表明硫的含量也大幅度降低。電化學原位X射線吸收光譜研究表明，活化后的樣品中大部分鎳被還原為零價，但表面仍存在少量的硫離子可通過靜電作用將水合離子吸引到金屬表面，進而促進堿性條件下水的解離，有效降低了HER的過電位。該工作利用電化學原位X射線吸收技術揭示了鎳-硫醇配位聚合物在工作條件下的活性中心，并可為研究非貴金屬基電催化劑的原位表面結構提供借鑒。
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