能源危机与环境污染是当前全球面临的重要挑战,电解水制氢因清洁高效成为能源转化的关键技术之一。然而,电解水过程中阳极的析氧反应(OER)存在高过电位问题,严重制约转化效率。近日,我国青海大学科研团队在国际期刊《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表研究成果,通过硫化处理β-氢氧化钴(β-Co(OH)₂)纳米片,成功制备出高性能二硫化钴(CoS₂)纳米片催化剂,为解决这一难题提供了新思路。

传统催化剂的“两难困境”

目前,贵金属基化合物(如钌、铱氧化物)是OER反应的高效催化剂,但稀缺性和高成本限制了其大规模应用。过渡金属基催化剂因成本优势备受关注,其中层状氢氧化钴(Co(OH)₂)具有良好的电化学性能,但其导电性差、活性位点有限的问题始终存在。此前研究发现,α-Co(OH)₂虽活性较高,却因热力学不稳定难以实用化;而β-Co(OH)₂虽稳定性更强,催化活性却有待提升。

创新策略:从“层状结构”到“硫原子掺杂”

科研团队提出一种简单的两步合成法:首先以六亚甲基四胺为调节剂,通过水热反应制备出层状单晶β-Co(OH)₂纳米片;随后在450℃氮气氛围下,与升华硫反应实现硫化,最终得到CoS₂纳米片。X射线吸收精细结构分析显示,硫化过程中β-Co(OH)₂表面发生晶体相重构,硫原子的引入改变了材料的电子密度和构型,这一结构转变被证实是提升催化性能的关键。

实验验证:297mV过电位实现高效析氧

电化学测试结果显示,所制备的CoS₂纳米片在1 mol·L⁻¹氢氧化钾电解液中表现优异:达到10 mA·cm⁻²电流密度仅需297 mV过电位,Tafel斜率低至71.7 mV·dec⁻¹,且能稳定工作100小时以上。对比实验表明,其性能显著优于未硫化的β-Co(OH)₂、氧化钴(CoO)以及商业二氧化铱(IrO₂)催化剂。

“这种纳米片结构不仅增加了电解液与催化剂的接触面积,还促进了电荷转移。”研究人员解释,硫原子掺杂带来的电子效应降低了反应能垒,而紧密堆积的层状结构则减缓了硫元素在反应中的氧化流失,共同保障了催化剂的高活性与稳定性。

未来展望:规模化制氢的新可能

该研究为低成本、高性能电解水催化剂的设计提供了新范式。相较于传统方法,这种硫化策略工艺简单、条件温和,具备大规模生产潜力。研究团队表示,下一步将聚焦催化剂的批量制备工艺优化,探索其在实际电解槽中的应用,助力绿氢产业的发展。

来源: 化学工程前沿FCSE