高效雙功能催化劑的制備仍然是電化學水分解的瓶頸。為了制備具有高活性和穩定性的非貴金屬催化劑，我們提出了一種海藻狀結構，該結構由在碳納米管海綿網絡上自組裝的過渡金屬硫化物納米片（SW-CoS@CNT）組成。通過調整合成過程中的關鍵參數（例如，Co和S前驅體的負載量和比例），可以在很寬的范圍內定制微觀結構，并且可以通過熱退火將硫缺陷引入納米板。所得的 SW-CoS@CNT 用作獨立的雙功能催化電極，其析氫反應和析氧反應的過電位分別為 105 和 218 mV，優于大多數報道的過渡金屬硫化物-堿性溶液中的催化劑。這種分層仿生結構的合理設計可能有助于在可再生能源和環境領域開發高性能電化學催化劑。
Figure 1. 海藻狀催化劑結構的圖解和表征圖像。 (a) 左欄顯示材料中單管的橫截面圖，右欄顯示樣品在不同制備階段的微觀結構。 (b) 具有光滑表面和 3D 網絡結構的 CNTS 的 SEM 圖像。 (c) CoS@CNT 的 SEM 圖像，顯示出強烈增加的直徑和尖銳的納米板覆蓋表面。 (d) SW-CoS@CNT 的 SEM，其具有類似海藻的形態，具有鈍的納米板邊緣，插圖是在中國沿海地區廣泛分布的常見馬尾藻的圖片。
Figure 2. 材料的 TEM 形貌、能量色散光譜 (EDS) 元素分布、高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM)、X 射線衍射 (XRD) 和電子順磁共振 (EPR) 結構分析，包括 (a) CoS 的 TEM 圖像@CNT，(b) SW-CoS@CNT 的 TEM 圖像，(c) TEM 圖像中 SW-CoS@CNT 的孔分布，(d) SW-CoS@CNT 的 HR-TEM 圖像，清楚地顯示缺陷 ( S空位），插圖是CoS1.097的（220）平面的晶格空間。 (e) SW-CoS@CNT 的元素映射圖像。 (f) CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XRD圖，均與CoS1.097標準卡相匹配。 (g) CoS@CNT 和 SWCoS@CNT 的 EPR 圖像，峰的位置表明存在 S 缺陷。
Figure 3. CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XPS精細光譜； (a) CoS@CNT的Co 2p光譜； (b) CoS@CNT的S 2p光譜； (c) CoS@CNT的C 1s光譜； (d) SW-CoS@CNT的Co 2p光譜； (e) SW-CoS@CNT 的 S 2p 光譜； (f) SW-CoS@CNT 的 C 1s 光譜。
Figure 4. 材料電化學性能和穩定性測試及催化結構示意圖（a）堿性介質中的HER LSV曲線。 (b) 堿性介質中的 HER Tafel 斜率。 (c) SW-CoS@CNT 在電流 i-t 前后的 HER LSV 曲線，插圖是電流 i-t 曲線。 (d) 堿性介質中的 OER LSV 曲線。 (e) 堿性介質中的 OER Tafel 斜坡。 (f) SW-CoS@CNT 在安培 i-t 前后的 OER LSV 曲線，插圖是安培 i-t 曲線。 (g) SW-CoS@CNT 在堿性介質中 HER 和 OER 的機理和催化結構示意圖。
Figure 5. 使用雙功能海藻狀催化劑的材料性能比較、雙層電容器和整體水分解測試。 (a) SW-CoS@CNT 與雙金屬系統和單金屬系統的性能比較。(b) SW-CoS@CNT、SW-Co-0.8、SW-Co-的雙層電容器0.6 和 SW-Co-0.4，將用于計算電化學表面積 (ECSA)。 (c) 整體水分解的 LSV 曲線；插圖是水分解的照片，其中負載相同的 SW-CoS@CNT 的兩個 CNTS 分別用作陰極和陽極。 (d) SW-CoS@CNT 的電流 i-t 測試，顯示出優異的穩定性，72 小時后降低了 6.9%。
相關研究工作由鄭州大學Yuanyuan Shang課題組于2022年在線發表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，原文：Carbon Nanotube-Coupled Seaweed-like Cobalt Sulfide as a Dual-Functional Catalyst for Overall Water Splitting。
轉自《石墨烯研究》公眾號
