介紹
硫化鎳（NiS?，涵蓋 NiS、Ni?S?、Ni?S?、NiS?等多種物相）天然豐度高、制備成本低、電子導(dǎo)電性?xún)?yōu)異、氧化還原活性可調(diào)的核心優(yōu)勢(shì)，逐漸成為貴金屬催化劑的替代材料，在能源轉(zhuǎn)化、能源存儲(chǔ)、環(huán)境治理等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖一 硫化鎳
應(yīng)用
硫化鎳因優(yōu)異的電子捕獲能力與載流子分離效率，可以作為光催化產(chǎn)氫體系中的助催化劑，尤其在與石墨相氮化碳（g-C?N?）等半導(dǎo)體復(fù)合后，性能實(shí)現(xiàn)跨越式提升。
硫化鎳的光催化助催化性能與其物相緊密相關(guān)。通過(guò)調(diào)控制備過(guò)程中鎳源與硫源的摩爾比、反應(yīng)溫度等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)硫化鎳物相的精準(zhǔn)控制：當(dāng)鎳源濃度為 1 mmol（100 mL 反應(yīng)體系）、Ni:S 摩爾比為 1:1.5 時(shí)，主要生成α/β-NiS 混合相（β-NiS 為優(yōu)勢(shì)晶相）；若鎳源濃度提升至 2 mmol，或 Ni:S 比例調(diào)整為 1:2，則傾向于生成 Ni?S?或 NiS?。不同物相的催化活性差異顯著：純 α-NiS 與 g-C?N?納米片（CNNs）復(fù)合時(shí)，光催化產(chǎn)氫速率僅為 500.2 μmol?g?1?h?1；純 β-NiS/CNNs 體系的產(chǎn)氫速率提升至 1167.1 μmol?g?1?h?1；而α/β-NiS 混合相 / CNNs 復(fù)合體系的產(chǎn)氫速率高達(dá) 24634.04 μmol?g?1?h?1，是純 CNNs 的 209 倍，甚至優(yōu)于傳統(tǒng) Pt/CNNs 體系。
α/β硫化鎳混合相通過(guò)相界面協(xié)同效應(yīng)構(gòu)建了高效的電子傳輸通道，α 相的高電子遷移率與 β 相的強(qiáng)吸附能力結(jié)合，不僅加速了光生電子從 CNNs 向硫化鎳的轉(zhuǎn)移，還通過(guò)吸附水中的OH?形成可逆反應(yīng)，降低了氫析出反應(yīng)（HER）的活化能，同時(shí)抑制了電子 - 空穴對(duì)的復(fù)合（α/β-NiS/CNNs 的電子壽命為 5.15 ns，長(zhǎng)于 α-NiS/CNNs 的 4.26 ns 與 β-NiS/CNNs 的 4.10 ns）。
圖二 硫化鎳光催化析氫的機(jī)理圖
與半導(dǎo)體的協(xié)同增效
硫化鎳與半導(dǎo)體g-C?N?、TiO?、ZnCdS構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)硫化鎳納米顆粒負(fù)載于 2D CNNS 表面能夠?qū)崿F(xiàn)高導(dǎo)電性與低阻抗性。NiS中的Ni-Ni鍵使其具有類(lèi)金屬導(dǎo)電性，復(fù)合后體系的電荷轉(zhuǎn)移電阻從純 CNNs 的數(shù)千歐姆降至 0.6 kΩ，加速了界面電荷遷移。CNNs的導(dǎo)帶電位為- 1.12 eV，α/β-NiS的導(dǎo)帶電位為- 0.48 eV，它們的能帶差異在界面形成肖特基勢(shì)壘，有效阻止光生電子從硫化鎳回流至CNNs，進(jìn)一步抑制載流子復(fù)合。NiS納米顆粒的均勻分散使體系的電化學(xué)活性表面積顯著提升，其雙電層電容達(dá) 29.5 μF?cm?2，提供了更多活性位點(diǎn)。此外，硫化鎳與其他半導(dǎo)體的復(fù)合也展現(xiàn)出優(yōu)異性能。NiS/TiO?介晶體系通過(guò)光沉積法將 NiS 納米顆粒負(fù)載于 TiO?介晶的側(cè)面，實(shí)現(xiàn)電子從 TiO?向 NiS 的定向轉(zhuǎn)移，光催化產(chǎn)氫活性較純 TiO?提升 10 倍以上。構(gòu)建 S 型電荷轉(zhuǎn)移路徑，兼顧強(qiáng)氧化還原能力與高載流子分離效率。
作為HER/OER催化劑
硫化鎳在堿性電解質(zhì)中具有優(yōu)異的氫析出（HER）與氧析出（OER）活性，經(jīng)過(guò)表面羥基化處理的NiS，其HER過(guò)電位在電流密度為 - 5 mA?cm?2 時(shí)僅為- 0.75 V；而 Ni?S?/Ni foam復(fù)合電極的 OER 過(guò)電位在 10 mA?cm?2 時(shí)為 320 mV，且循環(huán) 1000 次后性能無(wú)明顯衰減。Ni2?易被氧化為Ni3?，形成具有高活性的 NiOOH/NiS 異質(zhì)界面，同時(shí) S 元素的存在可調(diào)控 Ni 的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化 H * 吸附能與OH?遷移速率。
超級(jí)電容器
硫化鎳因具有可逆的氧化還原反應(yīng)與高導(dǎo)電性，可以作為超級(jí)電容器的電極材料。將NiS納米片嵌入電紡碳纖維中構(gòu)建的復(fù)合電極，其比電容可達(dá) 1200 F?g?1（電流密度 1 A?g?1），且循環(huán) 5000 次后電容保持率仍達(dá) 85%，碳纖維的多孔結(jié)構(gòu)不僅解決了 NiS 在充放電過(guò)程中的體積膨脹，還加速了電解液離子的傳輸；而 NiS 的 redox 活性則為電容貢獻(xiàn)提供了主要來(lái)源。此外，Ni?S?/ 石墨烯復(fù)合電極的比電容可達(dá) 1500 F·g?1，且倍率性能優(yōu)異，在10 A?g?1 電流密度下仍保持 80% 的電容 retention，展現(xiàn)出在高性能超級(jí)電容器中的應(yīng)用潛力。
環(huán)境治理
硫化鎳的光催化活性不僅限于產(chǎn)氫，還可用于有機(jī)污染物的降解。NiS?納米片對(duì)苯酚、羅丹明 B 等有機(jī)污染物的光催化降解效率可達(dá) 90% 以上，其機(jī)制是：硫化鎳產(chǎn)生的光生空穴與?OH 自由基具有強(qiáng)氧化性，可將有機(jī)分子分解為 CO?與 H?O。此外，硫化鎳對(duì)重金屬離子（如 Pb2?、Cd2?、Hg2?）具有強(qiáng)吸附能力，NiS 表面的 S2?可與重金屬離子形成穩(wěn)定的硫化物沉淀，吸附容量可達(dá) 200 mg?g?1 以上，且吸附后材料易于分離回收[1]。
參考文獻(xiàn)
[1]Xue W ,Xing S ,Li D , et al.Concentration-controlled phase of nickel sulfide cocatalysts for enhanced photocatalytic hydrogen evolution[J].Journal of Alloys and Compounds,2025,1040183630-183630.DOI:10.1016/J.JALLCOM.2025.183630.