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二维异质结构纳米片阵列电催化磺离子氧化反应研究（98字）
吴光宁|李凤丽|乔伟|杨瀚|杨玉婷|蒋志红|冯晓丹|于宇|田双红|李萍
环境科学与工程学院，广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学，广州510275，中国
摘要
电催化硫离子氧化反应（SOR）为富含硫离子的废水处理提供了一种可行的途径，同时可以实现硫的回收，但该过程受到高性能电催化剂缺乏的制约。本文报道了一种由CoWO4和CoTe2组成的二维异质结构纳米片阵列（CC/CoWO4-CoTe2）的制备方法，该方法显著提升了SOR的效率和稳定性。通过全面的实验和理论研究，发现这种纳米片阵列结构结合异质结构设计有助于暴露活性位点，减轻S8的钝化效应，并通过表面硫离子富集和超亲水性增强质量传输。更重要的是，CoWO4-CoTe2界面工程可以调节电子结构，优化反应中间体的吸附行为，从而降低决定反应速率的步骤的吉布斯自由能障碍。利用这些优势，CC/CoWO4-CoTe2表现出优异的SOR性能，其电位仅为0.29?V（相对于RHE），电流密度达到100?mA?cm?2?1，与现有技术水平相当。这一成果为利用过渡金属碲化物在SOR中的潜力开辟了一条有前景的途径，并为开发其他先进的电催化系统提供了借鉴。
引言
富含硫离子的废水主要来自化学制造和石化工业领域，由于其毒性和腐蚀性，对环境构成严重威胁[1]、[2]、[3]。目前，传统的处理技术（如化学沉淀、氧化和生化处理）存在运行成本高、能耗大以及二次污染风险等问题[4]、[5]。在这种情况下，电催化硫离子氧化反应（SOR）作为一种高效、可持续且环境友好的方法应运而生[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。为了将电催化SOR推进到实际应用阶段，开发具有成本效益和高性能的电催化剂至关重要。
目前，除了昂贵的贵金属外，过渡金属硫化物（TMS）常被用作加速SOR的电催化剂[7]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，由于反应中间体的吸附性能不佳、硫离子的腐蚀性以及S8的钝化作用，尽管已经取得了显著进展[21]、[22]，TMS的电催化性能仍然有限。因此，迫切需要创新和开发具有低成本、高活性和良好稳定性的新型SOR电催化剂。另一方面，作为硫属化合物家族的关键成员，过渡金属碲化物（TMTe）在能源存储和转换领域受到了广泛关注，因为它们具有多种价态、高导电性和可调电子结构等独特性质[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。因此，TMTe在SOR电催化中的潜力值得期待。遗憾的是，基于TMTe的材料作为SOR电催化剂的研究尚未得到充分探索，可能是因为它们的几何结构和电子结构往往不够理想。
在各种材料调控策略中，界面工程不仅可以继承各个组分的优点，在界面提供丰富的电催化活性位点，还可以有效调节表面电子状态，从而优化反应中间体的结合强度，加快反应动力学[29]、[30]、[31]、[32]。此外，电催化材料的结构对催化性能也至关重要[33]。特别是二维纳米片阵列配置能够完全暴露活性中心，实现高效的电荷传输和质量传输，成为构建高性能电催化电极的有力平台[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。
基于上述分析，本文报道了一种由CoWO4和CoTe2组成的二维异质结构纳米片阵列（称为CC/CoWO4-CoTe2）的制备方法，该方法显著提升了SOR的性能。实验研究和理论分析表明，这种纳米片阵列结构结合界面工程有助于暴露催化活性位点，减轻S8的钝化效应，并通过表面硫离子富集和独特的超亲水性增强质量传输动力学。令人印象深刻的是，CoWO4-CoTe2的界面工程可以调节表面电子结构，优化反应中间体的吸附行为，从而降低决定反应速率的步骤的吉布斯自由能障碍（ΔG），显著提升SOR的性能。
部分内容摘录
CC/Co-MOF的制备
CC/Co-MOF是通过一步沉淀法合成的。首先，将16?mmol的2-甲基咪唑溶解在40?mL的去离子水中，再将2?mmol的Co(NO3)2?6?H2O溶解在40?mL的去离子水中。随后，将Co(NO3)2?6?H2O溶液倒入含有预处理过的碳布（CC，面积为1?× 3?cm2）的2-甲基咪唑溶液中，室温下反应12?小时。收集得到的产物用乙醇洗涤后，在60 °C下干燥。
CC/CoWO4-CoTe2的制备
上述制备的CC/Co-MOF被浸入...
材料制备与表征
CC/CoWO4-CoTe2的合成路线如图1a所示。首先，使用Co(NO3)2?6?H2O作为金属源，2-甲基咪唑（2-MeIm）作为有机连接剂，通过简单的一步沉淀法制备了负载在CC基底上的金属-有机框架（MOF）纳米片阵列。然后，将所得CC/Co-MOF用Na2WO4?2?H2O溶液处理20?分钟，随后在流动的N2气氛下于600 °C下进行热碲化处理，从而获得CC/CoWO4-CoTe2。
结论
总结来说，我们提出通过协同的界面工程和结构设计可以显著提升TMTe在SOR中的性能。具体而言，通过用Na2WO4?2?H2处理后再进行热碲化处理，制备出了CoWO4-CoTe2二维异质结构纳米片阵列。这种材料在SOR中表现出优异的电催化性能，电位仅为0.29?V（相对于RHE），电流密度达到100?mA?cm?2
CRediT作者贡献声明
吴光宁：撰写初稿、数据可视化、验证、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。李凤丽：指导、实验研究、概念构建。乔伟：软件开发、数据管理。杨瀚：数据可视化、概念构建。杨玉婷：项目管理、数据管理。蒋志红：方法论设计、实验研究。冯晓丹：数据可视化、实验研究。于宇：指导、软件开发。田双红：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
