氢能作为清洁可再生能源,其高效制备一直是全球科研热点。近日,我国青海大学团队在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》发表研究,通过对氢氧化钴纳米片进行硫化处理,成功制备出高性能二硫化钴(CoS₂)催化剂,为电解水制氢的产业化应用提供了关键突破。
从“结构重构”到“性能飞跃”
电解水过程中,阳极析氧反应(OER)的高能耗是制约效率的核心瓶颈。传统过渡金属催化剂虽成本较低,但普遍存在活性不足、稳定性差的问题。研究团队另辟蹊径,以层状β-氢氧化钴(β-Co(OH)₂)为前驱体,通过简单的硫化反应实现材料表层的晶体相重构。
“就像给材料‘换了一层皮肤’,”团队成员解释,硫化过程中硫原子取代了氢氧化钴中的羟基,形成具有高导电性的CoS₂纳米片结构。X射线吸收精细结构分析显示,这种结构转变不仅增加了催化活性位点,还优化了电子传输路径,使反应能垒显著降低。
297mV过电位+100小时稳定:性能刷新纪录
实验数据显示,该CoS₂催化剂在1 mol·L⁻¹氢氧化钾电解液中表现卓越:启动电流密度达10 mA·cm⁻²时,过电位仅需297 mV,较未硫化的β-Co(OH)₂降低近30%;Tafel斜率低至71.7 mV·dec⁻¹,表明反应动力学显著加快。更重要的是,经过1000次循环测试后,催化剂活性几乎无衰减,连续工作100小时电流密度波动小于5%。
对比商业二氧化铱(IrO₂)催化剂,CoS₂不仅成本降低80%以上,稳定性更是提升了3倍。透射电镜图像显示,其层状结构在反应中保持完整,硫元素的均匀分布有效抑制了活性位点的氧化流失。
产业化曙光:低成本制备路径清晰
该研究的另一亮点在于简化的制备工艺。团队通过水热法合成β-Co(OH)₂纳米片,再经450℃氮气氛围硫化处理,全程无需复杂设备。这种“两步法”不仅易于放大生产,还可通过调节硫化温度和时间,精准调控催化剂性能。
“目前实验室制备成本已降至每克20元以下,”研究负责人透露,下一步将重点解决催化剂与电极基底的界面结合问题,推动其在碱性电解槽中的实际应用。业内专家指出,该技术若实现产业化,有望使绿氢生产成本降低至30元/公斤以下,加速氢能替代化石能源的进程。
来源: 化学工程前沿FCSE