| 二硫化钴多孔风叶结构助力肼辅助高效电解产氢 |
| Porous blade-like cobalt disulfide electrocatalyst boosting hydrazine-assistance energy-efficient hydrogen production |
| 作者 | 单位 | E-mail | | 孙强强 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | sqq3c118@163.com | | 赵鹏程 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | | | 吴若雨 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | | | 曹宝月 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | | | 王毅梦 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | | | 樊雪梅 | 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 商洛市石墨烯技术与应用研究中心, 商洛 726000 | |
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| 摘要: 以泡沫镍(NF)为基底，采用一步水热法制备了主晶相为CoS2、夹杂少量NiO相、具有三维多孔风叶结构的CoS2/NF电极材料。当溶液中钴硫物质的量之比为1∶5时，在140℃下保温18 h，获得了由10 nm厚度的纳米片构成的三维风叶结构的晶态CoS2/NF电催化剂。CoS2/NF在肼氧化及析氢反应中均表现出优异的催化性能，在水合肼碱性介质中，获得-10 mA·cm-2的析氢电流密度时，需要的过电势仅为83 mV，获得50 mA·cm-2的氧化电流密度时，需要的肼氧化电位仅为51 mV(vs RHE)；在水合肼辅助电解水双功能电解槽中，获得100 mA·cm-2的电流密度时，需要的分解槽压仅为0.550 V，远低于其在同条件下全水分解的2.075 V，大幅减小了电能消耗，极大地提高了电解水产氢效率。无论在三电极体系还是双电极体系，CoS2/NF均表现出优异的长效稳定性及耐用性。分析认为，电极表面多孔风叶结构的形成，使其电化学活性面积增加了24倍，为催化反应的发生提供了海量的活性位点及物质传递通道。CoS2及NiO相的形成，在一定程度上协同改善了本征析氢活性。CoS2/NF的组成、结构特性共用造就了其优异催化性能，其中结构优势起主导作用。通过机理研究，提出了CoS2/NF在析氢及肼氧化过程中的反应路径。 |
| 关键词: CoS2 析氢反应 肼氧化反应 协同催化 反应路径 |
| 基金项目: 陕西高校青年创新团队(No.20JCS062)、商洛市科技计划项目(No.2020-Z-0041)和商洛学院应用催化科研团队(No.19SCX01)资助。 |
| Abstract: Here, we report a three-dimensional blade-like nanosheet cobalt disulfide electrocatalyst with CoS2 as the main crystal phase with a small amount of the mixed NiO phase, which is fabricated in situ on nickel foam (NF) by one-step hydrothermal synthesis. When the molar ratio of cobalt and sulfur in the solution was 1∶5, the crystalline CoS2/NF electrocatalyst with a three-dimensional porous blade-like structure composed of 10 nm nanosheets was obtained at 140 ℃ for 18 h. During hybrid water electrolysis in an alkaline medium containing hydrazine hydrate, CoS2/NF electrode merely need 83 mV overpotential to deliver-10 mA·cm-2 towards hydrogen evolution reaction (HER), while 51 mV (vs RHE) oxidation potential to drive 50 mA·cm-2 towards hydrazine oxidation reaction (HzOR). Integrated into a hybrid cell towards hydrazine hydrate assisted water electrolysis, the CoS2/NF couple required a cell voltage of only 0.550 V to afford 100 mA·cm-2 current density, far lower than that of overall water splitting (2.075 V), giving rise to the significant decrease of power consumption and the great improvement of hydro-gen-producing efficiency. As-prepared CoS2/NF displayed excellent stability and durability towards HER or HzOR both in three-electrode and two-electrode systems. The formation of a nanoporous blade-like structure created a large number of micropores on the electrode surface, which led to the nearly 24-fold increased electrochemical active area (ECSA), and provided a huge amount of active sites and material transfer channels for the catalytic reac-tion. The formation of cobalt disulfide and nickel oxide phase synergically improved the intrinsic hydrogen evolution activity to a certain extent. The composition and structural characteristics of CoS2/NF contribute to superior catalytic performance, and the structural advantage played the predominant role in outstanding catalytic performances. Using mechanism research, the reaction paths of CoS2/NF in HER and HzOR are proposed, respectively. |
| Keywords: cobalt disulfide hydrogen evolution reaction hydrazine oxidation synergistic catalysis reaction path |
| 投稿时间：2022-08-03 修订日期：2022-11-30 |
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| 孙强强,赵鹏程,吴若雨,曹宝月,王毅梦,樊雪梅.二硫化钴多孔风叶结构助力肼辅助高效电解产氢[J].无机化学学报,2023,39(3):422-432. |
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