镍泡沫负载Co4S3/Ni9S8异质结的理性设计及其在双功能氧/尿素氧化反应中的高效催化性能

针对工业废水中尿素浓度波动导致传统催化剂适应性不足的问题，研究人员通过水热硫化法在镍泡沫上构建了Co4S3/Ni9S8异质结双功能电催化剂。该材料在OER（1.571 V@100 mA cm?2）和UOR（1.328 V@100 mA cm?2）中均表现出超低过电位，且能稳定运行36小时，为废水处理与氢能联产提供了新型高效催化方案。

　　

随着全球氢能经济的快速发展，电化学水分解技术因其能将可再生能源转化为可储存的化学能而备受关注。然而，阳极缓慢的氧析出反应(OER)需要高达1.23 V的理论电位，且实际过电位超过300 mV，成为制约该技术发展的主要瓶颈。与此同时，工业废水中富含的尿素污染物既是环境负担，又因其氧化反应(UOR)理论电位仅0.37 V而成为替代OER的理想选择。但现有催化剂难以适应废水中尿素浓度的动态变化，且贵金属基材料成本高昂，亟需开发高效、稳定、低成本的双功能催化剂。

针对这一挑战，来自中国的科研团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，通过可控水热硫化法在镍泡沫(NF)上构建了Co₄S₃/Ni₉S₈异质结催化剂。该材料在100 mA cm^?2电流密度下分别实现1.571 V(OER)和1.328 V(UOR)的超低工作电位，且连续运行36小时无衰减。其性能突破源于异质结诱导的界面电荷重分布，优化了*OOH中间体吸附和尿素脱氢动力学，同时三维分级孔结构提升了传质效率和活性位点暴露度。

关键技术方法包括：1) 水热硫化法一步合成异质结；2) 电化学工作站测试OER/UOR性能；3) 塔菲尔斜率分析反应动力学；4) 稳定性测试采用恒电流电解法；5) 结构表征结合X射线衍射(XRD)和电子显微镜。

【结果与讨论】

1. 催化剂合成与表征：通过160°C水热反应2小时制备的Co₄S₃/Ni₉S₈/NF呈现垂直生长的纳米颗粒簇，形成分级介/大孔结构，比表面积达89.6 m² g^?1。X射线光电子能谱(XPS)证实异质结界面存在电子转移，Co 2p轨道结合能正移0.8 eV。

2. 电催化性能：在1 M KOH+0.2 M尿素电解液中，异质结催化剂的OER过电位较单相Ni₉S₈降低112 mV，UOR起始电位低至1.31 V。塔菲尔斜率显示UOR动力学显著提升(3.91 mV dec^?1)，表明界面电荷重构加速了尿素分子脱氢。

3. 稳定性机制：Co-Ni电子相互作用抑制了硫化物在碱性介质中的溶解，XRD显示36小时测试后晶相结构保持完整。原位拉曼光谱证实异质结界面在反应中形成稳定的CoOOH/Ni(OH)₂活性层。

【结论】
该研究通过异质结工程和三维结构设计，实现了非贵金属双功能催化剂的性能突破。Co₄S₃/Ni₉S₈界面电荷重分布同时优化了OER的*OOH吸附能和UOR的脱氢能垒，其工业化潜力体现在：1) 原料成本仅为Ir基催化剂的1/50；2) 水热法可放大生产；3) 适应0.1-0.5 M尿素浓度波动。这项工作为废水处理-氢能联产系统提供了新材料范式，推动可再生能源与环境污染协同治理的发展。