大連化物所提出調(diào)控界面硫遷移提升電解海水析氫催化劑性能新策略

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所醇類燃料電池及復(fù)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展，揭示了催化劑在析氫過程中硫原子的動(dòng)態(tài)遷移及碳層捕獲機(jī)制，實(shí)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(yīng) （HER）中備受關(guān)注。雖然TMSs在析氫過程中的表面重構(gòu)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(dǎo)致TMSs長期穩(wěn)定性下降、性能迅速衰減等問題。因此，實(shí)現(xiàn)對TMSs中硫浸出的精確調(diào)控對于保持催化劑的高活性和耐久性至關(guān)重要。

本工作中，團(tuán)隊(duì)針對這一挑戰(zhàn)，通過構(gòu)建氮摻雜碳（CN）殼封裝的NiCoS異質(zhì)結(jié)構(gòu)（CN@NiCoS）電催化劑，精準(zhǔn)調(diào)控界面硫遷移，克服了活性和穩(wěn)定性之間的“蹺蹺板”關(guān)系。原位表征和理論計(jì)算揭示了CN@NiCoS催化劑中硫遷移和捕獲的過程。Ni3S2/Co9S8異質(zhì)界面促進(jìn)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(yīng)穩(wěn)定性。此外，硫原子的動(dòng)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(diǎn)進(jìn)一步調(diào)控了TMSs的d電子結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了氫析出反應(yīng)活性。研究發(fā)現(xiàn)，在堿性純水和海水介質(zhì)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(shí)。本工作實(shí)現(xiàn)了HER催化劑界面結(jié)構(gòu)演變的動(dòng)態(tài)捕捉，為高性能、長壽命電解海水制氫催化劑的設(shè)計(jì)提供了可行性方案。

相關(guān)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50535-2