高效的硫離子氧化反應(yīng)助力電解水節(jié)能制氫

2022-12-16 來(lái)源：科學(xué)材料站瀏覽數(shù)：521

目前，海水電解系統(tǒng)的主要瓶頸在于陽(yáng)極緩速的析氧反應(yīng)，并且現(xiàn)有高效的析氧反應(yīng)電極通常需要極高的電壓才能達(dá)到高電流密度，在這種情況下，海水中大量的氯離子在堿性條件下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氯氧化反應(yīng)，導(dǎo)致海水電解效率不佳并且釋放有毒的Cl2或ClO?離子腐蝕設(shè)備及污染環(huán)境。硫離子氧化反應(yīng)對(duì)于取代析氧反應(yīng)實(shí)現(xiàn)低能耗制氫以及凈化含硫污染物具有很大的潛力。然而，硫離子氧化反應(yīng)的機(jī)理研究尚不完善并且硫在電極表面的沉積易造成失活。

目前，海水電解系統(tǒng)的主要瓶頸在于陽(yáng)極緩速的析氧反應(yīng)，并且現(xiàn)有高效的析氧反應(yīng)電極通常需要極高的電壓才能達(dá)到高電流密度，在這種情況下，海水中大量的氯離子在堿性條件下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氯氧化反應(yīng)，導(dǎo)致海水電解效率不佳并且釋放有毒的Cl2或ClO−離子腐蝕設(shè)備及污染環(huán)境。硫離子氧化反應(yīng)對(duì)于取代析氧反應(yīng)實(shí)現(xiàn)低能耗制氫以及凈化含硫污染物具有很大的潛力。然而，硫離子氧化反應(yīng)的機(jī)理研究尚不完善并且硫在電極表面的沉積易造成失活。

近日，來(lái)自中南大學(xué)的唐愛(ài)東教授與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)的楊華明教授合作，在國(guó)際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Bifunctional Co3S4 Nanowires for Robust Sulfion Oxidation and Hydrogen Generation with Low Power Consumption”的文章。這項(xiàng)工作提出了Co3S4參與的硫離子氧化反應(yīng)中S2−逐步氧化成短鏈多硫化物后繼續(xù)氧化成S8的反應(yīng)機(jī)制，并且搭建的全新混合海水電解裝置可同時(shí)用于陽(yáng)極的硫離子氧化和陰極的海水還原實(shí)現(xiàn)低能耗制氫及高效處理含硫污水。

DOI: 10.1002/adfm.202212183

該項(xiàng)工作認(rèn)為雖然一些基于硫化物的非貴金屬催化劑被報(bào)道可以提高硫離子氧化反應(yīng)的活性，然而大多數(shù)催化劑過(guò)電位過(guò)高（普遍需要超過(guò)1.1V的過(guò)電位驅(qū)動(dòng)100mA·cm-2)，并且S2-離子容易腐蝕或毒害催化劑影響其使用壽命進(jìn)而導(dǎo)致催化性能不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

基于此，本文提出利用簡(jiǎn)單的兩步水熱法合成即可滿足復(fù)雜的富氯條件下的長(zhǎng)時(shí)間節(jié)能制氫，又能在有毒的富硫條件下穩(wěn)定催化硫離子氧化的雙功能Co3S4納米線，這為低成本及高效率的混合海水電解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新途徑。

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