超亲水/超疏气负载型CoMoS_x硫族凝胶电催化全解水

电解水制氢的原料来源丰富、产氢纯度高，且可与太阳能发电、风能发电等系统联用，是当前的一个重要研究方向。传统电催化分解水的催化剂主要由贵金属及其氧化物组成，其稀缺性与高成本极大地限制了电催化产氢的产业化应用。开发新型的高效非贵金属催化剂，并研究其催化过程，是实现大规模电催化分解水制氢的关键。近年来，硫族化合物由于其催化活性高、稳定性好、成本低等特点在电催化制氢领域受到广泛关注。如何激活硫族化合物的催化活性，进一步提升其在制氢应用中的潜力，对推动氢能的发展具有重要意义。目前提升硫族化合物催化性能的手段主要集中在对于缺陷的调控。但是，优化硫族化合物的界面设计，从而改善气体反应动力学的工作却鲜有报道。在电催化过程中，特别是高电流密度下，构筑超亲水/超疏气表面有利于反应物与催化活性位的接触和产物气泡的快速扩散，加速传质，促进电解水反应速率的提升。

近日，青岛科技大学的刘健教授团队和中国科学院理化技术研究所的闻利平研究员、江雷院士合作通过组分调节、纳米结构控制和三相界面设计，利用简便的硫族凝胶复分解反应原位构筑了一种负载型的超亲水/超疏气CoMoS_x硫族凝胶双功能电催化剂，实现了大电流密度下高效稳定的全水分解。通过与中国科学院上海应用物理研究所的姜政研究员合作，利用EXAFS表征与拟合得到了CoMoSx的组成和配位环境。                                         

研究人员利用复分解反应在泡沫镍表面原位简易负载了硫族凝胶电催化剂CoMoS_x/NF。该催化剂呈现一种褶皱状的多级微纳尺度的复合结构，其超亲水和超疏气的性质一方面能显著促进电解质在催化剂表面的浸润，实现催化界面对反应物水分子的高效活化；另一方面可以加快原位产生气泡的脱附，从而加速碱性条件下的HER/OER速控步骤。特别是在大电流密度下，水相电解质的有效浸润和原位生成气泡的快速脱除，可加速传质，促进电催化分解水的进行。值得注意的是，超亲水/超亲气CoMoS_x/NF由于具有优异的界面性质和本征特性，能够保证其在高电流密度下稳定运行。CoMoS_x/NF作为双功能电催化剂用于全解水，在电流密度500 mA/cm²时，能够至少稳定运行100小时，优于目前已报道的绝大多数材料。该研究展现了硫族凝胶在构建高性能电解水催化剂方面的巨大潜力，也可为其他电化学催化领域的关键催化材料与功能界面的设计构筑提供新的思路。 

相关工作以研究全文的形式发表在德国应用化学（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 1659-1665）上。文章的通讯作者为刘健教授和闻利平研究员。第一作者是青岛科技大学的硕士生单馨瑶。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201911617