CoS/FeS2中空微球：双金属协同作用加速表面重构，实现高效稳定的海水电解

《Journal of Clinical & Translational Endocrinology》：CoS 2/FeS 2 hollow microspheres: Bimetallic synergistic acceleration of surface reconstruction for efficient and stable seawater electrolysiss

本研究开发了一种CoS?/FeS?空心微球催化剂，通过独特的空心结构和双金属协同作用加速表面重构，形成稳定的CoFeOOH活性层，并生成硫酸根保护层有效抵御Cl?腐蚀。在碱性海水条件下，该催化剂在100 mA/cm2电流密度下稳定运行500小时，整体电压1.68 V，表现出优异的活性和抗腐蚀性，为海水电解制氢提供了新策略。

　　在当前全球对清洁能源的需求不断上升的背景下，氢气作为一种零碳排放的能源载体，其生产技术的研究具有重要的现实意义。水电解制氢技术被视为一种理想的方法，尤其是当其由可再生能源驱动时，可以实现绿色氢气的生产。然而，传统的水电解技术主要依赖于高纯度淡水，这在水资源日益紧张的今天显得尤为不现实。因此，开发能够直接利用海水进行高效电解的技术成为研究热点之一。海水电解的优势在于其资源丰富，但同时也面临诸多挑战，尤其是氯离子对电极材料的腐蚀问题。

海水中的氯离子含量较高，通常约为0.5摩尔每升，这使得在电解过程中，氯离子可能参与一系列副反应，如氯气的生成（氯演化反应，CER）和次氯酸盐的形成（ClO?）。这些反应不仅会消耗能量，还可能干扰氧气演化反应（OER）的进行，从而降低整体的电解效率。此外，氯离子与金属催化剂反应生成金属氯化物-氢氧化物复合物，进一步加剧了催化剂的腐蚀和降解，这对电极的长期稳定运行构成了威胁。因此，如何设计出能够有效抵抗氯离子腐蚀的高效电催化剂，成为海水电解技术发展的关键。

针对这一问题，研究人员提出了一系列策略，旨在提高电催化剂的耐腐蚀性和催化活性。其中，利用电催化剂在电解过程中的表面重构现象被认为是一种有效的方法。在电氧化过程中，过渡金属电催化剂的表面往往会经历结构变化，形成具有更高催化活性的氧化物或氢氧化物。然而，这种重构过程的效率和稳定性仍然受到诸多因素的制约，包括催化剂的初始结构、电解质的组成以及电催化剂与电解质之间的相互作用等。因此，如何通过材料设计促进这一表面重构过程，是提高海水电解效率的重要研究方向。

在此背景下，本文提出了一种新型的电催化剂——CoS?/FeS?空心微球（CoS?/FeS?-HMS）。该催化剂采用独特的空心微球结构，这种结构不仅提供了较大的比表面积和孔体积，还增强了电解质的渗透能力，从而促进了表面重构过程。同时，通过引入钴和铁的双金属成分，催化剂在原子层面实现了协同效应，优化了电荷传输效率，提高了整体的催化性能。实验结果显示，该催化剂在碱性海水中表现出优异的催化活性和稳定性。在100 mA/cm2的电流密度下，其过电位仅为263 mV，并且在连续运行500小时后仍能保持稳定的性能，未出现氯离子腐蚀的迹象。这表明该催化剂不仅具备高效的催化能力，还具有良好的抗腐蚀性。

进一步的实验验证了该催化剂在海水电解系统中的实际应用潜力。在与商用铂碳（Pt/C）催化剂组成的双电极系统中，CoS?/FeS?-HMS作为阳极，Pt/C作为阴极，系统在100 mA/cm2的电流密度下仅需1.68 V的电压即可实现稳定的海水分解。这种低电压运行特性表明，该催化剂能够显著降低电解过程的能量消耗，从而提升整个系统的经济性和可行性。此外，该系统在运行超过100小时后仍能保持稳定，未出现因氯离子腐蚀导致的性能下降，这进一步证明了其在实际应用中的可靠性。

CoS?/FeS?-HMS催化剂的成功开发，不仅为海水电解技术提供了新的解决方案，也为高效、耐腐蚀电催化剂的设计提供了重要的理论支持和实践指导。通过调控催化剂的结构和组成，研究人员能够有效促进表面重构过程，从而形成具有更高催化活性的氧化物层。同时，通过引入保护性层，如硫酸根离子（SO?2?）的原位生成，可以进一步增强催化剂的抗腐蚀能力，使其在复杂的海水环境中保持良好的性能。

该研究的创新点在于，通过结合空心微球结构和双金属协同效应，实现了对电催化剂表面重构过程的高效调控。空心微球结构的优势在于其开放的外壳和内部的空腔，这不仅增加了催化剂的比表面积，还为电解质的渗透提供了更多的路径。这种结构设计有助于催化剂在电解过程中快速响应并形成新的活性位点，从而提高催化效率。而双金属成分的引入则通过原子层面的协同作用，优化了电荷的传输路径，降低了电化学反应的活化能，使得催化剂在较低的过电位下就能实现高效的氧气演化反应。

此外，该催化剂的抗腐蚀性能也得到了显著提升。在电解过程中，催化剂表面形成的硫酸根离子保护层能够有效排斥氯离子，从而减少其对催化剂的侵蚀作用。这种保护机制不仅提高了催化剂的化学稳定性，还延长了其使用寿命，为海水电解技术的工业化应用提供了坚实的保障。实验结果表明，该催化剂在海水环境中能够维持长时间的稳定运行，且不会产生次氯酸盐等有害副产物，这在环保和安全性方面具有重要意义。

在催化剂的制备过程中，研究人员采用了先进的合成方法，通过调控前驱体的结构和组成，成功构建了具有特定形貌的CoS?/FeS?-HMS。这一过程涉及多个步骤，包括前驱体的合成、高温煅烧以及后续的硫化处理等。每一步的优化都对最终催化剂的性能产生了重要影响。例如，通过引入Pluronic F127作为结构导向剂，研究人员能够控制前驱体的生长方式，从而获得具有规则形貌的ZIF-67-F127结构。在高温煅烧过程中，F127的分解和有机配体的去除导致了结构的收缩，形成了具有多孔特性的Co?O?前驱体。随后的硫化处理则进一步促进了CoS?/FeS?-HMS的形成，使其具备了良好的电化学性能。

该研究还通过多种表征手段，对催化剂的结构和性能进行了系统的分析。这些手段包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）以及电化学测试等。通过这些技术，研究人员能够直观地观察催化剂的微观结构变化，并深入理解其在电解过程中的表面重构机制。同时，这些表征结果也为后续的催化剂优化和性能提升提供了重要的数据支持。

从实际应用的角度来看，CoS?/FeS?-HMS催化剂的开发具有广阔的前景。海水电解技术的推广不仅有助于缓解淡水资源短缺的问题，还能为大规模氢气生产提供可持续的解决方案。然而，要实现这一目标，还需要进一步解决一些技术难题，例如如何提高催化剂的规模化生产效率、如何降低其成本以及如何优化其在不同电解条件下的性能表现等。此外，还需要对催化剂的长期稳定性进行更深入的研究，以确保其在实际运行中能够保持一致的催化效果。

综上所述，本文的研究成果为海水电解技术的发展提供了新的思路和方法。通过设计具有空心微球结构和双金属协同效应的电催化剂，研究人员成功克服了氯离子腐蚀和表面重构效率低等关键问题，实现了高效、稳定的氧气演化反应。这种催化剂的开发不仅有助于推动海水电解技术的商业化进程，也为未来清洁能源的生产和利用提供了重要的技术支撑。随着研究的不断深入和技术的持续进步，相信海水电解技术将在未来发挥更大的作用，为全球能源转型和可持续发展做出积极贡献。