中山大学Adv. Funct. Mater.：掺杂碳包裹镍黄铁矿型硫化钴纳米材料的双功能电解水催化剂

【引言】

现如今，由化石燃料带来的环境污染及能源短缺日益严重，且已成为人类社会面临的两大棘手问题，因此开发和利用清洁、可再生能源愈加重要和紧迫。与其它燃料相比，氢气热值高，成本低，无污染，是取代日益消耗的化石燃料的新一代理想可再生能源。在众多制氢技术当中，电解水制氢受到了科研工作者的高度关注。电解水包括阳极析氧和阴极析氢两个半反应。二者缓慢的动力学，及所用资源稀缺、价格昂贵的贵金属催化剂是电解水制氢技术中的瓶颈问题，因此开发具有高析氢和析氧活性、高稳定性的非贵金属电催化剂成为现阶段研究的重点。

【成果简介】

近日，中山大学化学学院孟玉英研究员和吴明娒教授（共同通讯作者）课题组报道了一种氮、氧和硫三元素掺杂碳包裹镍黄铁矿型硫化钴纳米颗粒高效双功能电解水催化剂。作者首先合成含有钴源和硫源的聚吡咯固相前驱体，然后在氩气氛围及高温条件下进行金属辅助碳化过程，再经过盐酸处理去除裸露、自由的单质钴及硫化钴等颗粒，最终得到氮、氧和硫三元素掺杂碳包裹的镍黄铁矿型硫化钴纳米材料（Co₉S₈@NOSCs）。

在碱性介质中（pH=14），该材料表现出优异的电催化析氧和析氢活性，在电流密度为10 mA/cm²时的过电位分别为340 mV和320 mV，塔菲尔斜率分别为68 mV/dec和105 mV/dec，并且均具有很好的催化稳定性。将该材料负载在泡沫镍上，组成两电极全电解水，当电流密度为10 mA/cm²和20 mA/cm²时，所需过电位分别为1.60 V和1.74 V。连续工作10 h后，催化活性没有明显衰减，法拉第效率接近100 %，并且H₂和O₂的生成量之比为2:1。该材料优异的电催化水分解性能得益于异元素掺杂的碳壳层与镍黄铁矿型硫化钴核二者间的协同作用。

【图文导读】

图1. Co₉S₈@NOSC的制备过程

含有钴源和硫源的聚吡咯固相前驱体，经过金属辅助高温碳化过程，再经过盐酸处理去除裸露、自由的单质钴及硫化钴等，最终得到氮、氧和硫三元素掺杂碳包裹的镍黄铁矿型硫化钴纳米材料（Co₉S₈@NOSCs）

图2. 材料的物理表征结果

 XRD和EDS结果均表明镍黄铁矿型硫化钴Co₉S₈的存在；TEM分析结果表明碳包覆Co₉S₈结构的成功合成；Elemental mapping结果显示C，N，O，S这些元素是均匀分布于整个材料中，Co元素则是孤立的存在于分散的颗粒中。

图3. 材料的XPS及Raman表征结果

不同热解温度下得到的材料XPS及Raman分析结果表明，热解温度对材料中各元素的相对含量及碳层的石墨化程度具有较大的影响。

 图4. 材料在碱性介质中析氧及全电解水性能对比

在碱性介质中，该材料具有优异的电催化析氧性能，并且稳定性很好。

图5. 材料在碱性介质中的全电解水性能

 将该材料负载在泡沫镍上，组成两电极全电解水。结果显示，该材料的全电解水性能优异，而且稳定性也很好。

【小结】

作者通过简单的高温碳化方法合成了氮、氧和硫三元素掺杂碳包裹的镍黄铁矿型硫化钴纳米材料，实验结果显示该材料具有优异的电催化析氧、析氢及全电解水性能。这一工作不仅制备了高效双功能电解水催化剂，并且为设计新型高效的电催化材料提供了新思路和新方法。相关结果以全文形式发表在《Adv. Funct. Mater.》上，该项目是由国家重大专项支持（973 项目, 2015CB932300）。

 文献链接：N-, O- and S-tridoped Carbon-encapsulated Co₉S₈ Nanomaterials: Efficient Bifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting. (Adv. Funct. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adfm.201606585)

本文由中山大学化学学院孟玉英研究员投稿，背逆时光 编辑整理。

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