近日，中國科學院大連化學物理研究所醇類燃料電池及復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隊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展，揭示了催化劑在析氫過程中硫原子的動態(tài)遷移及碳層捕獲機制，實現(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 （HER）中備受關注。雖然TMSs在析氫過程中的表面重構可以顯著提升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致TMSs長期穩(wěn)定性下降、性能迅速衰減等問題。因此，實現(xiàn)對TMSs中硫浸出的精確調控對于保持催化劑的高活性和耐久性至關重要。
本工作中，團隊針對這一挑戰(zhàn)，通過構建氮摻雜碳（CN）殼封裝的NiCoS異質結構（CN@NiCoS）電催化劑，精準調控界面硫遷移，克服了活性和穩(wěn)定性之間的“蹺蹺板”關系。原位表征和理論計算揭示了CN@NiCoS催化劑中硫遷移和捕獲的過程。Ni3S2/Co9S8異質界面促進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穩(wěn)定性。此外，硫原子的動態(tài)遷移捕獲過程中形成的硫摻雜的CN和硫空位（S-NC/Vs）位點進一步調控了TMSs的d電子結構，增強了氫析出反應活性。研究發(fā)現(xiàn)，在堿性純水和海水介質中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。本工作實現(xiàn)了HER催化劑界面結構演變的動態(tài)捕捉，為高性能、長壽命電解海水制氫催化劑的設計提供了可行性方案。
相關研究成果以“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研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50535-2
院地合作