空心CoS/Ni3S2纳米管阵列增强甘油电氧化辅助水电解制氢与高值化学品联产

为解决甘油电氧化反应(GEOR)产物选择性低、阳极电位高及传统水电解制氢能耗大等问题，研究人员通过模板法制备了空心CoS/Ni3S2/NF纳米管阵列催化剂。该催化剂在GEOR中实现95%甲酸选择性和100%甘油转化率，仅需0.88 V (vs. RHE)即可驱动10 mA cm?2电流密度，同时阴极HER仅需150 mV。双电极系统仅需1.32 V即可实现高效耦合反应，为绿色制氢与高值化学品联产提供了新策略。

　　

随着化石能源危机加剧和环境问题恶化，氢能因其高能量密度和零污染特性成为研究热点。传统水电解制氢面临两大瓶颈：阳极氧析出反应(OER)动力学缓慢导致高过电位（理论1.23 V vs. RHE），以及氢氧混合爆炸风险。用甘油电氧化反应(GEOR)替代OER可同时解决这两个问题——甘油作为生物柴油副产物成本低廉，其氧化理论电位仅0.69 V，且产物为高值化学品而非危险氧气。然而现有GEOR催化剂普遍存在活性低、选择性差等问题，关键原因在于催化剂结构限制活性位点暴露和质量传递效率。

陕西科技大学研究人员在《Applied Surface Science》发表研究，通过无模板法设计出空心CoS/Ni₃S₂纳米管阵列催化剂(CoS/Ni₃S₂/NF)。该工作创新性地利用CoS与Ni₃S₂的相互作用自发形成空心结构，通过XRD、SEM等技术证实了异质结构成功构建。电化学测试显示，该催化剂在1 M KOH+0.1 M甘油电解液中，GEOR达到10 mA cm^?2仅需0.88 V，同时HER过电位仅150 mV。更引人注目的是，双电极系统仅需1.32 V即可驱动10 mA cm^?2电流，较传统水电解节能显著。产物分析表明甲酸选择性高达95%，甘油转化率100%。

材料表征
XRD分析揭示前驱体(Co,Ni)O(OH)经硫化后转化为CoS/Ni₃S₂异质结构，SEM显示独特的纳米管阵列形貌，管壁厚度约50 nm。研究人员提出空心结构形成机制：CoS在硫化过程中发生断裂形成内部空隙，而Ni₃S₂维持管壁结构完整性。

电化学性能
线性扫描伏安法(LSV)显示CoS/Ni₃S₂/NF的GEOR起始电位较Ni₃S₂/NF降低120 mV。塔菲尔斜率分析表明其电荷转移电阻显著降低。计时电位测试证实催化剂在20小时稳定性测试后活性保持率超过95%。

反应机理
研究人员认为高性能源于三重优势：(1)空心管状结构增大比表面积，暴露更多Ni³⁺/Co²⁺活性位点；(2)硫掺杂优化电子结构，加速电荷转移；(3)开放通道促进甘油分子扩散。原位拉曼光谱发现反应中生成NiOOH活性物种，证实其与Ni₃S₂的协同作用。

该研究通过巧妙的材料设计，首次实现无模板法制备GEOR/HER双功能空心纳米管催化剂。1.32 V的低电压需求（较传统电解槽降低约30%）使其具备工业化应用潜力。更重要的是，该工作为"生物质转化-绿氢生产"耦合系统提供了新思路，有望推动生物柴油副产物高值化利用与清洁能源生产的协同发展。