【引言】
环境问题的日益凸显和化石燃料的不断消耗，不断促使人们寻找新的能源载体。氢，因其能量密度高、环境友好及来源丰富可再生等特性，被誉为未来能源。电解水制氢技术是提取清洁氢气的一种重要手段，氢析出反应（
HER
），作为电解水的一个重要过程，受到许多研究者的关注。
目前，
Pt
基催化剂依然被认为是最有效的催化
HER
反应的材料，但储量不丰富、价格昂贵，因此寻找价格低廉且具有良好催化活性的催化剂成为一个重要课题。
【成果简介】
相比Ni，
Co
基硫化物，人们对
Fe
基硫化物的研究相对较少。近日，
Ran Miao
和
Steven L. Suib
（第一作者与通讯作者）等在美国化学会志
JACS
发表了以介孔
FeS
2
作为高效析氢催化剂的文章，并对其催化机理进行了理论分析。
【图文导读】
该工作采取两步法合成介孔
FeS
2
：先采用逆胶束溶胶凝胶法合成无定型的
Fe
2
O
3
，然后以
H
2
S
气体和硫粉为硫源，将
Fe
2
O
3
转化为
FeS
2
，生成的硫化物保持了原来氧化物的介孔状态。
图一 介孔
FeS
2
的形貌结构表征
(a)
介孔
FeS
2
和商业化的
FeS
2
X
RD (b)
介孔
FeS
2
扫描图
(c-e)
低倍
和高倍
透射图
(f)
高纬度环形暗场透射图
(g-i) EDX mapping
图。
与商业化的
FeS
2
相比，由于介孔结构的出现，降低了材料的长程有序性，使得所制备的
FeS
2
结晶度较低。通过拉曼光谱对比，发现介孔
FeS
2
的特征峰范围较宽，说明介孔
FeS
2
的结构是无序的。从透射图可以看到材料松散的介孔结构，孔径范围在
4-7 nm
，微晶尺寸在
15-20 nm
之间，远小于商业化的
FeS
2
（
103nm
）。
BET
分析得到介孔
FeS
2
为
128 m
2
·g
−
1
及
0.23 cm
3
·g
−
1
，而商业化的
FeS
2
则不到
1 m
2
·g
−
1
。
图
二
HER
性能图
(a)
极化曲线
(b)
塔菲尔曲线
(c)
介孔
FeS
2
在
-
0.2 V vs
.
RHE
下的
电化学
阻抗谱
(d)
介孔
FeS
2
在
-
0.1V vs. RHE
下的计时电流曲线
采用标准三电极体系在
pH = 13
的碱性溶液中对材料进行
HER
性能测试，
介孔
FeS
2
覆盖的电极在电流密度为
10 mA·cm
-
2
时，过电势仅为
96 mV
。计算得到介孔
FeS
2
塔菲尔斜率为
78 mV·dec
-
1
，表明反应为快速的
Volmer
-
Heyrovsky
反应机制，氢的电化学脱附为速率控制步骤。
在过电势
200 mV
下进行电化学阻抗谱测试，介孔
FeS
2
的电荷转移电阻为
7 Ω
，远小于商业化的
FeS
2
（
238 Ω
）。经过
24
小时的稳定性测试，材料依然表现出稳定的催化性能。
图三
水分子在
(210) (
红线
) and (100) (
蓝线
) surfaces
断裂为
O-H
键的反应路径
为了更好的理解介孔
FeS
2
表面的结构以及在原子层面的
HER
催化机制，作者基于密度泛函理论进行了量子化学计算。
通过
XRD
分析，介孔
FeS
2
的（
210
）晶面的相对强度与其他高指数晶面相比增强了。作者采用平行于（
200
）的（
100
）晶面，与（
210
）晶面进行了
HER
催化活性对比。计算表明，暴露的（
210
）晶面可以更好地催化
HER
反应的进行。
笔者认为，该工作的亮点在于：材料制备过程简洁；与商业化材料对比，揭示了介孔在催化
HER
中的作用；结合理论分析，阐明了黄铁矿
FeS
2
的（
210
）晶面在
HER
催化中的重要作用。感兴趣的同学可以仔细阅读该文。
Mesoporous Iron Sulfide for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution. Journal of the American Chemical Society Article ASAP
DOI: 10.1021/jacs.7b07044
注
：
本文
所用
数据图片
引自
该文献
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