重庆科技学院Acta Phys.-Chim. Sin.丨优化异质结界面结晶度实现高效制氢

【导读】

通过电解水技术大规模生产清洁燃料氢作为未来能源受到了广泛关注。然而，阳极析氧反应(OER)缓慢的动力学极大的限制了其广泛应用。二硫化钴 (CoS₂) 作为一种金属族硫化物，不仅具有独特的物理和化学性质，还可以为离子吸附和传输提供可渗透的通道来加速HER和OER的反应动力学。然而CoS₂本身较低的催化活性以及较低H*/OH*吸附能等缺点，使其在电解水方面应用仍然面临着重大的挑战。

【成果掠影】

重庆科技学院（CQUST）绿色能源与纳米催化创新团队陆世玉、王融、金梦采用可控硫化方法合成了一系列不同结晶度的CrS/CoS₂异质结。Cr-S-Co共价键形成界面电荷传输通道，优化了H*和OOH*中间体在CrS/CoS₂异质结上的吸附，从而加快了HER和OER的速率决定步骤。非晶CrS/高晶CoS₂异质结(A-CrS/HC-CoS₂)中的非晶/高晶结构不仅有利于生成丰富的界面，暴露更多的活性位点，从而获得较高的HER和OER活性，而且还有助于A-CrS/HC-CoS₂在水电解过程中的结构和组成演变，确保了较高的HER和OER稳定性。这项工作说明了可控非晶耦合在提高催化活性和耐久性方面的价值，为提高其他双功能过渡金属化合物电催化剂的性能提供了一种通用策略。

【图文解析】

图1 (a) CrS/CoS₂和CoCr₂S₄/CoS_1.097异质结形成的合成示意图； (b,c) TEM图像；(d-f) HRTEM图像和 (g) A-CrS/HC-CoS₂的对应元素映射。

图2 (a) A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂、CrS的XPS光谱；(b) A-CrS/HC-CoS₂和CoS₂的Co 2p XPS光谱；(c) A-CrS/HC-CoS₂和CrS的Cr 2p XPS光谱；(d)A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂和CrS的S 2p XPS光谱。

图3 A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂、CrS和Pt/C的 (a) HER LSV曲线；(b) 过电位和 (c) Tafel图；(d) A-CrS/HC-CoS₂在50mA·cm^-2和100 mA·cm^-2中的HER稳定性测试；(e) A-CrS/HC-CoS₂和其他先前报道的电催化剂在10 mA·cm^-2下的HER过电位的比较。

图4 A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂、CrS和RuO₂的 (a) OER的LSV曲线；(b) 过电位和 (c) Tafel图；(d) A-CrS/HC-CoS₂在50mA·cm^-2和100 mA·cm^-2中的OER稳定性测试；(e) A-CrS/HC-CoS₂和其他先前报道的电催化剂在10 mA·cm^-2下的OER过电位的比较。

图5 (a)几何优化后CrS/CoS₂异质结的结构模型；(b) CrS/CoS₂异质界面的三维电荷密度差为0.0012e·Bohr^-3；CoS₂、CrS和CrS/CoS₂异质结上的 (c)HER和 (d) OER处理的自由能图；(e) CrS/CoS₂异质结的平面平均电子密度差；(f) CrS/CoS₂异质界面形成后Co位和Cr位d带中心的变化。

图6 (a) 双功能A-CrS/HC-CoS₂电极 和(b) 商业 Pt/C and RuO₂ 两电极在1M KOH和1 M KOH+1 M CH₃OH溶液中的极化曲线。(c) 双功能A-CrS/HC-CoS2 全解水器件光学照片。(d) 双功能A-CrS/HC-CoS₂电极和商业 Pt/C and RuO₂在1M KOH和1 M KOH+1 M CH₃OH溶液中的稳定性。(e) 双功能A-CrS/HC-CoS₂两电极性能和其他已报道的材料性能对比。

图7 A-CrS/HC-CoS₂、HER反应后，OER反应后的(a) Co 2p , (b) Cr 2p 和 (c) S 2p XPS 光谱。A-CrS/HC-CoS₂ HER反应后的 (d) TEM. (e, f) HRTEM images 和 (g) EDS mapping。A-CrS/HC-CoS₂ OER反应后的 (h)TEM, (i, j) HRTEM images and (k) EDS mapping。

文献信息

Shi-Yu Lu, Wenzhao Dou, Jun Zhang, Ling Wang, Chunjie Wu, Huan Yi, Rong Wang, Meng Jin. Amorphous-Crystalline Interfaces Coupling of CrS/CoS₂ Few-Layer Heterojunction with Optimized Crystallinity Boosted for Water-Splitting and Methanol-Assisted Energy-Saving Hydrogen Production[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2308024.

DOI: 10.3866/PKU.WHXB202308024

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202308024

【作者简介】

陆世玉，博士/博士后，校聘教授，研究生导师，入选第七届中国科协青年人才托举工程（科协资助，国家青年人才）。研究方向致力于电催化及高效储能关键电极材料的开发和设计，聚焦新能源高效转化和储存材料及机制研究，实现氢能源的高效稳定生产与利用器件及高能量密度离子电池的构建。先后在J. Am. Chem. Soc (IF=15.419), Adv. Mater (IF=30.849), Adv. Energy Mater. (IF=29.368), Adv. Funct. Mater. (IF=18.808), Nano Energy (IF=17.881), Appl. Catal. B: Environ. (IF=19.503), Small methods(IF=14.188）等国际顶尖SCI期刊发表论文50余篇，论文被引用2300余次，H10-index为40，申请国家专利30余项，主持国家级、省部级科研项目4项，完成产业化合作项目2项，担任《物理化学学报》青年编委，获第一届“创青春”中国青年碳中和创新创业大赛全国铜奖（排名第一），西南赛区金奖（排名第一）。

王融，工学博士，讲师。主要研究方向为半导体功能材料电子结构、光学性质、力学性质等基本物性的理论模拟，光/电催化分解水制氢高效催化剂的设计合成及理论预测，电催化硝酸根还原的机理研究等方面，致力于结合实验观测和理论预测揭示高效催化剂材料的本征构效关系。主持或主研省部级以上项目和横向项目8项，在Applied Catalysis B:Environmental、Journal of Physical Chemistry Letters、Chemical Engineering Journal、Chemical Communications、Inorganic Chemistry等国际顶尖SCI期刊发表SCI论文20余篇，申请发明专利5项。

金梦，工学博士/博士后，助理研究员，硕士生导师。主要研究方向为MOF材料及其衍生物的可控制备与电催化性能研究；过渡金属催化剂的设计与构建及其电催化生物质转化、有机电合成的研究，在过渡金属纳米电催化剂的可控制备、表界面结构的精准调控及增强电催化性能方面具有丰富的经验。主持/主研科研项目5项，在Advanced Energy Materials(IF=29.368，ESI高被引),Applied Catalysis B:Environmental(IF=19.503，ESI高被引)，Small Methods(IF=15.367)，Science China-Chemistry(IF=10.138)等国际顶尖SCI期刊发表论文20余篇，申请国家专利20余项，授权6项。