電化學(xué)水分解技術(shù)被認為是最具前景的制氫技術(shù)之一。迄今為止，Pt是應(yīng)用最廣泛的析氫反應(yīng)（HER）催化劑，Ir基化合物是高活性的析氧反應(yīng)（OER）電催化劑。然而，其稀缺性、高成本、穩(wěn)定性差限制了其在水分解中的實際應(yīng)用。

近年來，過渡金屬化合物因其豐富、低成本和環(huán)境友好而被廣泛研究。然而，電催化劑和水分解裝置在酸性和堿性條件下通常遭受腐蝕問題，環(huán)境不友好和較差的穩(wěn)定性，這阻礙了它們在產(chǎn)氫中的應(yīng)用。開發(fā)中性環(huán)境下的水分解催化劑是制氫有前途的方向之一，因為它無污染，成本低，易于大規(guī)模應(yīng)用。

然而，在中性溶液中合理設(shè)計高效、低成本、穩(wěn)定的雙功能電催化劑仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。此外，為了滿足工業(yè)制氫的要求，電催化劑應(yīng)在大于500 mA cm-2的高電流密度下保持穩(wěn)定性。這些挑戰(zhàn)促使開發(fā)高效、穩(wěn)定、廉價的電催化劑以解決在中性溶液中高電流密度水分解的問題。

因此，海南大學(xué)鄧意達和鄭學(xué)榮等人合成了非晶摻Mo的NiS0.5Se0.5納米片@晶態(tài)NiS0.5Se0.5納米棒（Am-Mo-NiS0.5Se0.5）催化劑。

在1.0 M PBS溶液中評估了Am-Mo-NiS0.5Se0.5的HER活性并與Cr-Mo-NiS0.5Se0.5、Pt/C和NF進行比較。Am-Mo-NiS0.5Se0.5在10 mA cm-2的電流密度下的過電位僅為48 mV，優(yōu)于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5。在實際應(yīng)用中，催化劑的高電流密度性能至關(guān)重要。在300和1000 mA cm-2的高電流密度下，Am-Mo-NiS0.5Se0.5顯示出133和209 mV的過電位，遠低于商業(yè)Pt/C（153和447 mV）和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（205和295 mV）。

在1.0 M PBS中，NF顯示出可忽略的HER活性，這意味著催化劑的活性主要歸因于Am-Mo-NiS0.5Se0.5，而不是NF基底。除了HER性能，制備的Am-Mo-NiS0.5Se0.5在1.0 M PBS溶液中也表現(xiàn)出了優(yōu)異的OER性能，Am-Mo-NiS0.5Se0.5只需要238 mV的過電位就可以提供10 mA cm-2的電流密度，這遠遠低于商業(yè)IrO2（365 mV），Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（329 mV），NF（434 mV）和大多數(shù)報道的過渡金屬化合物電催化劑。

特別是Am-Mo-NiS0.5Se0.5在高電流密度（1000 mA cm-2）下表現(xiàn)出比商業(yè)IrO2和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5更低的過電位（514 mV）。重要的是，以Am-Mo-NiS0.5Se0.5同時作為陽極和陰極時，在1.0 M PBS溶液中（10 mA cm-2）的全水解性能（1.52 V）優(yōu)于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5（1.66 V）以及Pt/C 和IrO2（1.64V），并且該電解槽在室溫下僅需要1.98 V的電壓就可以達到1000 mA cm-2的電流密度，遠低于Cr-Mo-NiS0.5Se0.5以及Pt/C 和IrO2。

通過對能帶結(jié)構(gòu)的理論推導(dǎo)，進一步揭示了非晶和晶體結(jié)構(gòu)在促進催化過程中的電子貢獻差異。值得注意的是，Cr-Mo-NiS0.5Se0.5顯示出明顯的0.4 eV的間接帶隙，這證明了d-d和d-p躍遷的能壘。相比之下，Am-Mo-NiS0.5Se0.5具有無能隙的富電子特性，促進了d-d電子躍遷，從而實現(xiàn)優(yōu)異的性能。

此外，晶體結(jié)構(gòu)中的p-d電子躍遷被非晶態(tài)結(jié)構(gòu)所打破。因此，這些結(jié)果表明，這種不同的電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了水分解過程的對比選擇性。Am-Mo-NiS0.5Se0.5和Cr-Mo-NiS0.5Se0.5的投影態(tài)密度計算表明，與Cr-Mo-NiS0.5Se0.5相比，Am-Mo-NiS0.5Se0.5的Ni位點d軌道上移，反映了電子轉(zhuǎn)移能力的增強和化學(xué)活性的提高。之后計算得到，H2O在Am-Mo-NiS0.5Se0.5表面的吸附能比在Cr-Mo-NiS0.5Se0.5低得多，表明該非晶結(jié)構(gòu)有利于Volmer步驟。

另外，Am-Mo-NiS0.5Se0.5的Ni位點的氫吸附自由能為-0.13 eV， Mo位點的氫吸附自由能為-0.22 eV，均低于Cr-Mo- NiS0.5Se0.5的Ni位點和Mo位點。結(jié)果表明，Ni位點是Am-Mo-NiS0.5Se0.5的HER過程中的活性位點，且在Am-Mo-NiS0.5Se0.5上較Cr-Mo- NiS0.5Se0.5更容易進行H的吸附。綜上所述，本研究通過設(shè)計和合成非晶相為HER和OER提供了一種高活性和穩(wěn)定的催化劑，這將促進未來中性環(huán)境中全水解的應(yīng)用。

審核編輯：郭婷