通过牺牲性转化将金属硫化物前驱体转化为活性氧氢氧化物催化剂,以增强氧气的释放反应

《Chinese Journal of Catalysis》:Sacrificial conversion of metal sulfide precursors into active oxyhydroxide catalysts for enhanced oxygen evolution reaction

【字体: 时间:2026年02月12日 来源:Chinese Journal of Catalysis 17.7

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  氧析出反应催化剂设计、FeCoS?/FeS?异质结构、表面重构机制、电化学活化诱导相变、非贵金属催化稳定性

  
孙欣然|霍梦天|孙建航|梁宇|秦凯驰|张浩阳|邢志豪|常金发
中国吉林省长春市东北师范大学化学学院,教育部多金属氧酸盐与网状材料化学重点实验室,邮编130024

摘要

过渡金属硫化物(TMSs)由于其可调节的自旋态、多样的金属-硫配位环境以及可控的电子结构,成为氧进化反应(OER)中极具前景的电催化剂。然而,它们在阳极条件下的结构不稳定性仍然是一个关键挑战。特别是,活性相的形成机制以及表面重构过程中真正催化活性位点的识别需要进一步研究。在这里,我们报道了一种立方形的自组装FeCoS2/FeS2异质结构催化剂。通过硫掺杂和电化学活化诱导的表面重构,该催化剂在1.0 mol L?1 KOH溶液中,仅需287 mV的过电位即可实现10 mA cm?2的电流密度,并且可持续1000个循环。实验和原位光谱分析表明,异质界面增强了电子转移,而动态重构生成了高活性的金属(氧)氢氧化物相作为主要的催化活性物种。这项工作为TMSs的表面重构提供了机制上的见解,并为设计高效且耐用的非贵金属电催化剂提供了可行的策略。

引言

对可持续能源解决方案的迫切需求推动了对电催化水分解的广泛研究,这是一种能够大规模生产氢气和储存能量的零碳排放过程[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。然而,氧进化反应(OER)是一个复杂的四电子-质子耦合过程,由于O-H键断裂(约492 kJ mol?1)和O–O键形成(约204 kJ mol?1)的高能量障碍,存在显著的动力学限制[9, 10]。因此,OER仍然是水电解中的限速步骤,需要高效电催化剂来降低过电位[11, 12]。尽管像IrO2和RuO2这样的贵金属氧化物表现出优异的OER活性,但它们的稀有性和地壳中的低含量(<10?6%)限制了其应用[12, 13, 14, 15]。这一限制促使人们密集研究非贵金属电催化剂,尤其是过渡金属硫化物(TMSs)[16, 17, 18]。TMSs具有独特的优势,包括可调节的电子结构、可变的自旋态和灵活的金属-硫配位环境,这些都可以通过工程化来提升催化性能[19, 20, 21]。
然而,基于TMS的OER催化剂在操作条件下经常会发生动态表面重构,从而原位形成金属氧化物、氧硫化物或(氧)氢氧化物等活性相[22, 23, 24, 25, 26]。例如,基于Ni、Co和Fe的硫化物会经历复杂的结构演变[27, 28, 29, 30, 31],包括电化学脱硫、金属位点蚀刻和氧化驱动的相变,所有这些都会对催化活性和稳定性产生重要影响[23, 32, 33, 34, 35]。最近的研究表明,硫化物晶格中的硫到氧的替代会导致活性(氧)氢氧化物相的形成[36, 37, 38, 39],但这种转变的机制细节仍不够清楚。为了解决这一知识空白,张等人[40]提出了一种双位点分段协同机制(DSSM),通过在碳纳米管上设计CoFeSx纳米簇,证明了Co3+–O–O–Fe3+中间体可以增强OER动力学。尽管取得了这些进展,但仍存在两个基本挑战:(1)硫化物催化剂在阳极电位下的不稳定性;(2)表面重构与催化活性之间的不明确关系。因此,迫切需要开发构建稳定TMS基OER催化剂的策略,确保在重构过程中硫化物整体结构保持完整,从而促进高活性位点的形成。
在这里,我们提出了一种立方形的FeCoS2/FeS2异质结构,旨在应对这些OER挑战。通过硫掺杂和电化学活化,我们诱导了可控的表面重构。金属硫化物前体的牺牲性质有效控制了OER过程中高活性(氧)氢氧化物的形成。这项研究不仅阐明了TMSs中的原子级重构机制,还为设计高性能和稳定的OER电催化剂提供了有价值的设计原则。

部分内容片段

FeCo-PBA的合成

FeCo普鲁士蓝类似物(PBA)是通过一种简单的方法合成的。简要来说,将0.60克FeCl3和0.4278克柠檬酸钠溶解在60毫升去离子水中并剧烈搅拌;这被称为溶液A。另外,将0.3987克K3Co(CN)6溶解在60毫升去离子水中并剧烈搅拌,称为溶液B。然后迅速将溶液A倒入溶液B中并持续搅拌。混合物在25°C下搅拌24小时,之后再继续搅拌24小时

FeCoS2/FeS2的合成和结构表征

FeCoS2/FeS2催化剂是通过结合溶热法和化学气相沉积法合成的(图1(a)),具体步骤如下:首先,在水热条件下使Fe3?离子与K3[Co(CN)6反应生成FeCo-普鲁士蓝类似物(FeCo-PBA)。XRD分析证实了FeCo-PBA(PDF#43-0768)晶相的形成,其特征衍射峰可以证明这一点(图S1)。SEM和TEM显示FeCo-PBA前体采用了

结论

总之,我们通过一种简单的气相沉积方法制备了一种用于碱性OER的预催化剂FeCoS2/FeS2。在反应过程中,这种催化剂逐渐转变为高活性的(氧)氢氧化物(Fe/Co-OOH),从而显著提高了OER催化活性。制备的FeCoS2/FeS2催化剂在1000个循环后,仅需287 mV的过电位即可实现10 mA cm?2的电流密度。通过原位表征和结构研究,我们发现在
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