高效雙功能催化劑的制備仍然是電化學(xué)水分解的瓶頸。為了制備具有高活性和穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑，我們提出了一種海藻狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由在碳納米管海綿網(wǎng)絡(luò)上自組裝的過(guò)渡金屬硫化物納米片（SW-CoS@CNT）組成。通過(guò)調(diào)整合成過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)（例如，Co和S前驅(qū)體的負(fù)載量和比例），可以在很寬的范圍內(nèi)定制微觀(guān)結(jié)構(gòu)，并且可以通過(guò)熱退火將硫缺陷引入納米板。所得的 SW-CoS@CNT 用作獨(dú)立的雙功能催化電極，其析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)的過(guò)電位分別為 105 和 218 mV，優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的過(guò)渡金屬硫化物-堿性溶液中的催化劑。這種分層仿生結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)可能有助于在可再生能源和環(huán)境領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高性能電化學(xué)催化劑。
Figure 1. 海藻狀催化劑結(jié)構(gòu)的圖解和表征圖像。 (a) 左欄顯示材料中單管的橫截面圖，右欄顯示樣品在不同制備階段的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。 (b) 具有光滑表面和 3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 CNTS 的 SEM 圖像。 (c) CoS@CNT 的 SEM 圖像，顯示出強(qiáng)烈增加的直徑和尖銳的納米板覆蓋表面。 (d) SW-CoS@CNT 的 SEM，其具有類(lèi)似海藻的形態(tài)，具有鈍的納米板邊緣，插圖是在中國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布的常見(jiàn)馬尾藻的圖片。
Figure 2. 材料的 TEM 形貌、能量色散光譜 (EDS) 元素分布、高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM)、X 射線(xiàn)衍射 (XRD) 和電子順磁共振 (EPR) 結(jié)構(gòu)分析，包括 (a) CoS 的 TEM 圖像@CNT，(b) SW-CoS@CNT 的 TEM 圖像，(c) TEM 圖像中 SW-CoS@CNT 的孔分布，(d) SW-CoS@CNT 的 HR-TEM 圖像，清楚地顯示缺陷 ( S空位），插圖是CoS1.097的（220）平面的晶格空間。 (e) SW-CoS@CNT 的元素映射圖像。 (f) CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XRD圖，均與CoS1.097標(biāo)準(zhǔn)卡相匹配。 (g) CoS@CNT 和 SWCoS@CNT 的 EPR 圖像，峰的位置表明存在 S 缺陷。
Figure 3. CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XPS精細(xì)光譜； (a) CoS@CNT的Co 2p光譜； (b) CoS@CNT的S 2p光譜； (c) CoS@CNT的C 1s光譜； (d) SW-CoS@CNT的Co 2p光譜； (e) SW-CoS@CNT 的 S 2p 光譜； (f) SW-CoS@CNT 的 C 1s 光譜。
Figure 4. 材料電化學(xué)性能和穩(wěn)定性測(cè)試及催化結(jié)構(gòu)示意圖（a）堿性介質(zhì)中的HER LSV曲線(xiàn)。 (b) 堿性介質(zhì)中的 HER Tafel 斜率。 (c) SW-CoS@CNT 在電流 i-t 前后的 HER LSV 曲線(xiàn)，插圖是電流 i-t 曲線(xiàn)。 (d) 堿性介質(zhì)中的 OER LSV 曲線(xiàn)。 (e) 堿性介質(zhì)中的 OER Tafel 斜坡。 (f) SW-CoS@CNT 在安培 i-t 前后的 OER LSV 曲線(xiàn)，插圖是安培 i-t 曲線(xiàn)。 (g) SW-CoS@CNT 在堿性介質(zhì)中 HER 和 OER 的機(jī)理和催化結(jié)構(gòu)示意圖。
Figure 5. 使用雙功能海藻狀催化劑的材料性能比較、雙層電容器和整體水分解測(cè)試。 (a) SW-CoS@CNT 與雙金屬系統(tǒng)和單金屬系統(tǒng)的性能比較。(b) SW-CoS@CNT、SW-Co-0.8、SW-Co-的雙層電容器0.6 和 SW-Co-0.4，將用于計(jì)算電化學(xué)表面積 (ECSA)。 (c) 整體水分解的 LSV 曲線(xiàn)；插圖是水分解的照片，其中負(fù)載相同的 SW-CoS@CNT 的兩個(gè) CNTS 分別用作陰極和陽(yáng)極。 (d) SW-CoS@CNT 的電流 i-t 測(cè)試，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性，72 小時(shí)后降低了 6.9%。
相關(guān)研究工作由鄭州大學(xué)Yuanyuan Shang課題組于2022年在線(xiàn)發(fā)表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，原文：Carbon Nanotube-Coupled Seaweed-like Cobalt Sulfide as a Dual-Functional Catalyst for Overall Water Splitting。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
