重慶科技大學Fuel|具有晶格畸變和強電子相互作用的鉻-鉬雙摻雜少層鈷硫化物納米片作為高效雙功能全解水催化劑

01 導讀

氫（H₂）作為傳統化石燃料的潛在替代品，具備高效、可持續和零碳排放的特性，是解決能源危機和環境污染的關鍵。在可持續和間歇性能源系統中，氫發揮著不可或缺的作用。基于貴金屬如Pt、Ir和Ru的催化劑被認為是最有效的HER（析氫反應）和OER（析氧反應）催化劑。然而，儲量極其有限和高昂的成本限制了貴金屬催化劑的商業化應用。另一方面，使用不同催化劑分別作為電解槽的陰極和陽極，會遇到相互不兼容的問題，從而導致電解槽效率低。因此，開發在同一介質中具有高活性、低成本且穩定的雙功能電催化劑至關重要。

02 成果掠影

重慶科技大學的陸世玉、金夢等人開發了一種新型的原位溶解再沉淀的合成方法，成功合成了含有雙陽離子（Cr、Mo）摻雜的少層CoS₂納米片（Cr/Mo-CoS₂）。雙摻雜引發的強耦合作用和明顯的晶格畸變的協同作用，成功優化了催化劑表面上H*和OOH*中間體的吸附，顯著提高了Cr/Mo-CoS₂在HER和OER過程中的速率控制步驟。納米片形成的獨特松果狀結構提供了多個活性位點，促進了電子的轉移過程。因此，合成的Cr/Mo-CoS₂納米片表現出卓越的催化活性，該研究證明了雙陽離子摻雜誘導的相互作用和顯著的晶格畸變在提升過渡金屬硫族電催化劑性能方面起關鍵性作用。

03 圖文解析

圖1 Cr/Mo-CoS₂合成示意圖

圖2 (a) Cr/Mo-CoS₂的XRD譜圖；(b-f) Cr/Mo-CoS₂、Cr -CoS₂、Mo-CoS₂和CoS₂的Co 2p、Mo 3d、Cr 2p和S 2p的高分辨率XPS譜圖

圖3 (a-b) Cr/Mo-CoS₂的SEM圖像；(c-e) Cr/Mo-CoS₂的TEM和HRTEM圖像；(f) Cr/Mo-CoS₂的HAADF- STEM圖像和相應的EDS-mapping圖像

圖4 (a)催化劑的LSV曲線；(b)催化劑在電流密度為10 mA·cm^-2和100 mA·cm^-2時的過電位；(c) HER催化劑的Tafel斜率曲線；(d) 1 M KOH中 Cr/Mo-CoS₂的穩定性測試；(e) Cr/Mo-CoS₂與已報道的Co基電催化劑的HER性能比較

圖5? Cr/Mo-CoS₂和HER反應后的Cr/Mo-CoS₂的 (a) Co 2p， (b) Mo 3d， (c) Cr 2p和(d) S 2p XPS光譜圖；(e-g) HER反應后Cr/Mo-CoS₂的TEM和HRTEM圖像；(h) HER反應后Cr/Mo-CoS₂的HAADF-STEM圖像和相應的EDS-mapping圖譜

圖6 (a) OER催化劑的LSV曲線；(b) 催化劑在電流密度為50 mA·cm^-2和100 mA·cm^-2時的過電位；(c) OER催化劑的塔菲爾斜率曲線；(d) 1 M KOH中 Cr/Mo-CoS₂的OER穩定性；(e) Cr/Mo-CoS₂與已報道的Co基電催化劑OER性能對比

圖7 (a-d) OER反應前后Cr/Mo-CoS₂、Cr/Mo-CoS₂的高分辨率XPS光譜：Co 2p、Mo 3 d、Cr 2p 和S 2p；(e-g) OER反應后Cr/Mo-CoS₂的TEM和HRTEM圖；(h) OER反應后Cr/Mo-CoS₂的HAADF-STEM圖像和相應的EDS-mapping圖像

圖8 (a) Cr/Mo-CoS₂(200)表面OER路徑圖；CoS₂和Cr/Mo-CoS₂的(b) OER和 (c) HER自由能圖 (d) CoS₂和Cr/Mo-CoS₂的Co反應位點的d帶中心圖

圖9在1 M KOH溶液中，Cr/Mo-CoS?電催化劑作為陰極和陽極組成的雙功能全解水器件：(a) 極化曲線；(b) 電壓-電流密度對比曲線；(c) 在50 mA·cm^-2電流密度下的穩定性；(d) 與已報道的Co基全解水雙功能電催化劑性能對比圖；(e) 利用火電裝置驅動Cr/Mo-CoS?全解水裝置實物照片

文獻信息

Lu S Y, Dou W, Wu C, et al. Strong electronic interaction in chromium-molybdenum dual incorporated few-layer cobalt sulfide nanosheets with lattice distortion for efficient bifunctional water splitting. Fuel, 2024, 377: 132780.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001623612401929X

04 作者簡介

陸世玉，特聘教授，研究生導師，西南大學博士，北京大學博士后，入選第七屆中國科協青年人才托舉工程（科協資助，國家青年人才）。研究方向致力于電催化及高效儲能關鍵電極材料的開發和設計，聚焦新能源高效轉化和儲存材料及機制研究，實現氫能源的高效穩定生產與利用器件及高能量密度離子電池的構建。先后在Nat. Synth.，J. Am. Chem. Soc.（IF=15.419），Adv. Mater.（IF=30.849），Adv. Energy Mater.（IF=29.368），Adv. Funct. Mater.（IF=18.808），Nano Energy（IF=17.881），Appl. Catal. B: Environ.（IF=19.503），Small methods（IF=14.188）等國際頂尖SCI期刊發表論文70余篇，論文被引用3000余次，H10-index為47，申請國家專利30余項，主持國家自然科學基金、中國科協青年人才托舉工程、重慶市自然科學基金面上項目等科研項目10余項，擔任教育部學位中心研究生論文評審專家，《Carbon Energy》、《物理化學學報》、《Carbon Neutralization》、《Progress in Natural Science: Materials International》期刊青年編委，中國硅酸鹽學會，中國材料研究學會，重慶硅酸鹽學會會員，獲第一屆“創青春”中國青年碳中和創新創業大賽全國銅獎（排名第一），西南賽區金獎（排名第一）。

金夢，講師，碩士生導師，重慶大學博士，清華大學博士后。主要研究方向為MOF材料及其衍生物的可控制備與電催化性能研究；過渡金屬催化劑的設計與構建及其電催化生物質轉化、有機電合成的研究，在過渡金屬納米電催化劑的可控制備、表界面結構的精準調控及增強電催化性能方面具有豐富的經驗。主持/主研科研項目5項，在Advanced Energy Materials (IF=29.368，ESI高被引), Applied Catalysis B:Environmental (IF=19.503，ESI高被引)，Small Methods (IF=15.367)，Science China-Chemistry (IF=10.138)等國際頂尖SCI期刊發表論文20余篇，申請國家專利20余項，授權6項。