当今人类社会发展日益受到能源危机和环境污染的威胁，开发与利用清洁可再生能源成为社会可持续发展的重要基石。氢能由于其能量密度高、零碳排放量被广泛的认为是重要的绿色能源。

电催化分解水制氢是获得高纯度氢气的有效途径，该反应包括两个半反应：阴极表界面析氢反应（HER）和阳极表界面析氧反应（OER）。然而，电解水反应效率通常会受到HER过程中较高的热力学能垒和 OER 过程中缓慢的反应动力学速率等因素制约。

催化剂电子结构的调控可以优化对反应中间体的吸附能，降低热力学能垒。孔隙发达的阵列多孔碳载体可以实现电解质的快速传输，加速反应动力学。

因此，本工作将聚焦于利用天然含硫生物质碳与硝酸盐溶液经过浸渍和高温处理之后，可获得具有浓度梯度分布的金属硫化物负载于硫化多孔碳阵列的新型结构。该方法能够通过调节硝酸盐溶液浓度来实现金属硫化物与硫掺杂在碳基表面分布梯度，既可以通过有序多样性的活性位点提高催化剂的本征活性，又可以利用多孔碳阵列有序结构加速电解质传输速率，从而提升 HER 和 OER 双催化效应。

该项研究为设计、开发与应用金属化合物负载于含杂原子的天然生物质碳基的高效稳定的催化剂提供了新思路和新方法。

柚子皮的天然海绵体结构表现高度有序的孔隙结构，直接碳化保留了天然生物质这一属性，得到了阵列多孔碳基载体。有益于加速电子传输和增强电解质的扩散效率。根据催化剂的比表面积建立了 NiS/APC 的传质模型，利用有限元模拟孔隙结构对电解质传输情况的影响，其结果表明：同一时间内阵列多孔结构可以实现高效的传质效率。通过对电化学阻抗谱图拟合得到电解质扩散系数，分析孔半径对电解质传输的影响，其结果表明：由于毛细管效应，较小的孔半径可以加速电解质的传输效率。通过有限元理论模拟和电化学实验验证表明：当 NiS 在 APC 表面分布量适中（M-NiS/APC）时具有较高的孔隙率和较小的孔径分布，表现出快速的电解质传输效率（图3）。

该成果以“NiS gradient distribution on arrayed porous carbonized grapefruit peel for water splitting”(《生物质衍生碳基上梯度分布金属硫化物的电解水反应》)为题发表在英国皇家化学会期刊 Nanoscale 上。文章第一作者是博士生张晓云，通讯作者是王育乔教授。该研究得到了国家自然科学基金等经费的资助。