重慶科技學院Acta Phys.-Chim. Sin.丨優化異質結界面結晶度實現高效制氫

【導讀】

通過電解水技術大規模生產清潔燃料氫作為未來能源受到了廣泛關注。然而，陽極析氧反應(OER)緩慢的動力學極大的限制了其廣泛應用。二硫化鈷 (CoS₂) 作為一種金屬族硫化物，不僅具有獨特的物理和化學性質，還可以為離子吸附和傳輸提供可滲透的通道來加速HER和OER的反應動力學。然而CoS₂本身較低的催化活性以及較低H*/OH*吸附能等缺點，使其在電解水方面應用仍然面臨著重大的挑戰。

【成果掠影】

重慶科技學院（CQUST）綠色能源與納米催化創新團隊陸世玉、王融、金夢采用可控硫化方法合成了一系列不同結晶度的CrS/CoS₂異質結。Cr-S-Co共價鍵形成界面電荷傳輸通道，優化了H*和OOH*中間體在CrS/CoS₂異質結上的吸附，從而加快了HER和OER的速率決定步驟。非晶CrS/高晶CoS₂異質結(A-CrS/HC-CoS₂)中的非晶/高晶結構不僅有利于生成豐富的界面，暴露更多的活性位點，從而獲得較高的HER和OER活性，而且還有助于A-CrS/HC-CoS₂在水電解過程中的結構和組成演變，確保了較高的HER和OER穩定性。這項工作說明了可控非晶耦合在提高催化活性和耐久性方面的價值，為提高其他雙功能過渡金屬化合物電催化劑的性能提供了一種通用策略。

【圖文解析】

圖1?(a) CrS/CoS₂和CoCr₂S₄/CoS_1.097異質結形成的合成示意圖； (b,c) TEM圖像；(d-f) HRTEM圖像和 (g) A-CrS/HC-CoS₂的對應元素映射。

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

圖3 A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂、CrS和Pt/C的 (a) HER?LSV曲線；(b) 過電位和 (c) Tafel圖；(d) A-CrS/HC-CoS₂在50mA·cm^-2和100 mA·cm^-2中的HER穩定性測試；(e) A-CrS/HC-CoS₂和其他先前報道的電催化劑在10 mA·cm^-2下的HER過電位的比較。

圖4?A-CrS/HC-CoS₂、CoS₂、CrS和RuO₂的 (a) OER的LSV曲線；(b) 過電位和 (c) Tafel圖；(d) A-CrS/HC-CoS₂在50mA·cm^-2和100 mA·cm^-2中的OER穩定性測試；(e) A-CrS/HC-CoS₂和其他先前報道的電催化劑在10 mA·cm^-2下的OER過電位的比較。

圖5?(a)幾何優化后CrS/CoS₂異質結的結構模型；(b) CrS/CoS₂異質界面的三維電荷密度差為0.0012e·Bohr^-3；CoS₂、CrS和CrS/CoS₂異質結上的 (c)HER和 (d) OER處理的自由能圖；(e) CrS/CoS₂異質結的平面平均電子密度差；(f) CrS/CoS₂異質界面形成后Co位和Cr位d帶中心的變化。

圖6 (a) 雙功能A-CrS/HC-CoS₂電極?和(b) 商業?Pt/C and RuO₂ 兩電極在1M?KOH和1?M?KOH+1 M?CH₃OH溶液中的極化曲線。(c) 雙功能A-CrS/HC-CoS2?全解水器件光學照片。(d) 雙功能A-CrS/HC-CoS₂電極和商業?Pt/C and RuO₂在1M?KOH和1?M?KOH+1 M?CH₃OH溶液中的穩定性。(e) 雙功能A-CrS/HC-CoS₂兩電極性能和其他已報道的材料性能對比。

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

文獻信息

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

【作者簡介】

陸世玉，博士/博士后，校聘教授，研究生導師，入選第七屆中國科協青年人才托舉工程（科協資助，國家青年人才）。研究方向致力于電催化及高效儲能關鍵電極材料的開發和設計，聚焦新能源高效轉化和儲存材料及機制研究，實現氫能源的高效穩定生產與利用器件及高能量密度離子電池的構建。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）等國際頂尖SCI期刊發表論文50余篇，論文被引用2300余次，H10-index為40，申請國家專利30余項，主持國家級、省部級科研項目4項，完成產業化合作項目2項，擔任《物理化學學報》青年編委，獲第一屆“創青春”中國青年碳中和創新創業大賽全國銅獎（排名第一），西南賽區金獎（排名第一）。

王融，工學博士，講師。主要研究方向為半導體功能材料電子結構、光學性質、力學性質等基本物性的理論模擬，光/電催化分解水制氫高效催化劑的設計合成及理論預測，電催化硝酸根還原的機理研究等方面，致力于結合實驗觀測和理論預測揭示高效催化劑材料的本征構效關系。主持或主研省部級以上項目和橫向項目8項，在Applied Catalysis B:Environmental、Journal of Physical Chemistry Letters、Chemical Engineering Journal、Chemical Communications、Inorganic Chemistry等國際頂尖SCI期刊發表SCI論文20余篇，申請發明專利5項。

金夢，工學博士/博士后，助理研究員，碩士生導師。主要研究方向為MOF材料及其衍生物的可控制備與電催化性能研究；過渡金屬催化劑的設計與構建及其電催化生物質轉化、有機電合成的研究，在過渡金屬納米電催化劑的可控制備、表界面結構的精準調控及增強電催化性能方面具有豐富的經驗。主持/主研科研項目5項，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)等國際頂尖SCI期刊發表論文20余篇，申請國家專利20余項，授權6項。