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在海水中进行氢气生产面临着诸多挑战，尤其是在高电流密度下，氢析出反应（HER）电极容易失效。为了克服这一问题，研究人员提出了一种通过构建镍钴硫化物异质结构并包覆氮掺杂碳壳（CN@NiCoS）的方法，利用硫迁移来提高催化剂的活性和稳定性。本研究揭示了在HER过程中，硫原子迁移的动态形成和硫掺杂位点的配对对催化性能的增强作用。
成果简介
本文通过实验和理论研究表明，CN@NiCoS催化剂表现出在碱性水和海水环境中极低的过电位和卓越的长期稳定性。研究发现，硫在Ni₃S₂-Co₉S₈异质结构界面迁移并被碳壳捕获，形成C-S键，从而防止了硫化物的溶解，显著提升了HER的活性和耐久性。
研究亮点
界面硫迁移的工程设计：通过构建Ni₃S₂-Co₉S₈异质结构，硫迁移并被碳壳捕获，形成稳定的C-S键。
低过电位和高稳定性：CN@NiCoS在碱性水和海水中分别实现了4.6 mV和8 mV的极低过电位，并在高电流密度下表现出超过1000小时的稳定性。
硫迁移机制的揭示：利用实验和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了硫迁移如何增强催化剂的HER活性和稳定性。
适用于海水电解的催化剂设计：该研究为设计高效、稳定的海水电解催化剂提供了新的思路。
配图精析
图1: CN@NiCoS异质结构电催化剂的结构表征
图1展示了CN@NiCoS催化剂的X射线衍射（XRD）图谱、拉曼光谱、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像及X射线光电子能谱（XPS）分析，证明了Ni₃S₂-Co₉S₈异质结构的形成以及碳壳的存在。
图2: CN@NiCoS在碱性水的HER性能
图2展示了CN@NiCoS催化剂在1M KOH溶液和1M KOH+海水溶液中的HER极化曲线、Tafel斜率、电流密度随扫描速率的变化及在100 mA cm⁻²下的长期稳定性测试，结果表明该催化剂在不同电解质中的低过电位和高稳定性。
图3: CN@NiCoS在海水的HER性能
图3展示了CN@NiCoS催化剂在1M KOH溶液和1M KOH+海水溶液中的HER极化曲线、Tafel斜率、电流密度随扫描速率的变化及在100 mA cm⁻²下的长期稳定性测试，结果表明该催化剂在不同电解质中的低过电位和高稳定性。
图4: CN@NiCoS在海水中的动态硫迁移
图3展示了在HER过程前后CN@NiCoS催化剂的S 2p和C 1s XPS光谱及电子顺磁共振（EPR）谱图，证明了硫原子从NiCoS表面迁移至碳壳并形成C-S键，从而显著增强了催化剂的稳定性。
图5: CN@NiCoS异质结构的DFT计算
图5通过DFT计算展示了CN@NiCoS异质结构的硫空位形成能、硫迁移路径及迁移能垒，分析了界面硫迁移对电催化活性和稳定性的影响。
展望
该研究通过硫迁移工程成功提升了镍钴硫化物异质结构在海水环境中的氢析出反应性能。研究结果为设计高效、耐久的HER催化剂提供了新的思路，特别适用于海水电解的大规模应用。
文献信息
标题: Engineering interfacial sulfur migration in transition-metal sulfide enables low overpotential for durable hydrogen evolution in seawater
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-50535-2
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50535-2
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