近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所醇類燃料電池及復(fù)合電能源研究中心金屬燃料電池系統(tǒng)研究組研究員王二東團(tuán)隊(duì)與催化與新材料研究中心副研究員楊冰等合作,在電解海水析氫催化劑研究方面取得新進(jìn)展,揭示了催化劑在析氫過程中硫原子的動(dòng)態(tài)遷移及碳層捕獲機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了析氫催化劑的超低過電位和良好穩(wěn)定性。
過渡金屬硫化物(TMSs)因其優(yōu)異的催化活性,在氫析出反應(yīng) (HER)中備受關(guān)注。雖然TMSs在析氫過程中的表面重構(gòu)可以顯著提升HER活性,但通常伴隨著硫組分的部分流失和缺陷的形成,這種硫原子的不可逆流失將導(dǎo)致TMSs長期穩(wěn)定性下降、性能迅速衰減等問題。因此,實(shí)現(xiàn)對(duì)TMSs中硫浸出的精確調(diào)控對(duì)于保持催化劑的高活性和耐久性至關(guān)重要。
本工作中,團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一挑戰(zhàn),通過構(gòu)建氮摻雜碳(CN)殼封裝的NiCoS異質(zhì)結(jié)構(gòu)(CN@NiCoS)電催化劑,精準(zhǔn)調(diào)控界面硫遷移,克服了活性和穩(wěn)定性之間的“蹺蹺板”關(guān)系。原位表征和理論計(jì)算揭示了CN@NiCoS催化劑中硫遷移和捕獲的過程。Ni3S2/Co9S8異質(zhì)界面促進(jìn)了硫原子的脫出并形成硫空位,遷移的硫原子被CN層捕獲,抑制了硫的不可逆溶解,從而提高了氫析出反應(yīng)穩(wěn)定性。此外,硫原子的動(dòng)態(tài)遷移捕獲過程中形成的硫摻雜的CN和硫空位(S-NC/Vs)位點(diǎn)進(jìn)一步調(diào)控了TMSs的d電子結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了氫析出反應(yīng)活性。研究發(fā)現(xiàn),在堿性純水和海水介質(zhì)中10mA/cm2電流密度下的過電位僅為4.6和8mV,可穩(wěn)定工作1000小時(shí)。本工作實(shí)現(xiàn)了HER催化劑界面結(jié)構(gòu)演變的動(dòng)態(tài)捕捉,為高性能、長壽命電解海水制氫催化劑的設(shè)計(jì)提供了可行性方案。
相關(guān)研究成果以“Engineering interfacial sulfur migration by carbon encapsulation enables low overpotential for durable hydrogen evolution reaction”為題,發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的第一作者是大連化物所博士研究生李敏。上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-50535-2
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