大化所Nat. Commun.: 反应过程中界面S迁移，实现低过电位下电解海水产氢

催化开天地 · 公众号 · · 2024-08-08 08:30

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氢燃料以其高热值和清洁燃烧产物，被公认为是一种理想的储能载体。电催化剂水分解制氢具有有操作简单和可利用间歇性可再生能源的特点而备受关注。由于淡水资源有限，海水作为氢析出反应(HER)的原料，有利于实现大规模制氢。

然而，海水电解仍然面临挑战，主要是由于Cl ⁻ 腐蚀、钙(Ca ²⁺ )和镁(Mg ²⁺ )盐沉淀和催化剂中毒引起的电极失活。虽然碱性介质中的海水电解可以显著降低氯析出反应(CER)的选择性和盐沉淀，但HER动力学缓慢，导致过电位增加和能量转换效率降低。此外，考虑到Pt基催化剂的高成本和稀缺性，开发具有高电催化活性和稳定性的非贵金属基HER电催化剂对碱性海水电解的发展至关重要。

近日， 中国科学院大连化物所王二东 和杨冰等通过构建含氮掺杂碳壳包封的Ni ₃ S ₂ /Co ₉ S ₈ 硫化物异质结构(CN@NiCoS)电催化剂。原位表征和密度泛函理论(DFT)计算表明，在反应过程中CN@NiCoS界面发生重构，发生S的动态迁移。NiCoS异质结中S的迁移导致在Ni ₃ S ₂ /Co ₉ S ₈ 异质界面产生S空位，迁移的S原子随后通过强C-S键被CN壳捕获，防止S化物溶解到碱性电解质中。

结果表明，动态形成的S掺杂CN壳层和S空位配对位点通过改变费米能级附近的d带中心，从而加速碱性介质中水的吸附/解离，显著提高了HER活性。

性能测试结果显示，在碱性海水中，CN@NiCoS只需要8 mV的过电位就能提供10 mA cm ^-2 的电流密度；即使在1000 mA cm ^-2 的高电流密度下，CN@NiCoS的过电位也仅为281 mV。

此外，该催化剂也表现出良好的稳定性，其能够在100和1000 mA cm ^-2 下分别连续稳定电解超400和200小时，反映出CN覆盖层对催化剂的保护作用和CN@NiCoS在工业海水电解中的巨大潜力。总的来说，该项工作通过调节界面S迁移打破活性-稳定的平衡，为设计和制备高效的海水电解催化剂提供了新策略。