GEE｜高效电解水和尿素的MOF基催化材料

背景介绍

氢气是重要的化工原料，主要用于石油化工和合成氨工业；氢气也是潜在的绿色能源载体，其有效利用可以降低我们对化石燃料（如石油等）的依赖，也可以减轻化石燃料过度使用造成的环境问题。电解水被广泛认为是非常有前景的绿色制氢路线，其原料是丰富的水，为可持续制氢提供了可能，产物是氢气和氧气，也不会对环境造成二次污染；而且电解水制氢所需电能可以通过转化风能、太阳能等可再生能源获得。然而，由于高能耗问题，电解水制氢在工业制氢中所占比重仅为3-5%。因此，推动电解水制氢技术发展的关键是催化材料的革新，即大力发展高活性、廉价的水裂解电催化材料，以最大限度地提高水裂解效率，降低水裂解成本。

图文解读

图1. ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂的制备示意图。在不同的Zn²⁺和Co²⁺摩尔比条件下水热反应生成ZnCo MOF前驱体之后用硫代乙酰胺处理，制备出不同比例的ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂纳米阵列（图1）。图2. ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂的SEM, TEM及EDS mapping表征。

SEM表征表明ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂表现出中空的纳米剑结构，高分辨透射电镜表明ZnS, Co₉S₈, Ni₃S₂三相共存且存在明显的异质界面，EDS mapping也表明Zn, Co, Ni, S四种元素均匀的分布在材料的表面（图2）。

图3. ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂和Co₉S₈@Ni₃S₂的XPS表征。XPS结果证明（图3），ZnS的引入使得Co和Ni周围的电子云排布及Co和Ni的价态分布发生了明显的改变。ZnS的引入为提高材料的水裂解性能提供了有利条件。图4. ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂//ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂电极对的水裂解和尿素裂解性能测试和稳定性测试。

从LSV曲线可以看出（图4），为了驱动不同的电流密度，ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂// ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂电极对电解水所需的电池电压为:1.522 V@10 mA cm^-2、1.721 V@100 mA cm^-2、1.788 V@200 mA cm^-2且电解尿素所需的电池电压为:1.314 V@10 mA cm^-2、1.506 V@100 mA cm^-2、1.567 V@200 mA cm^-2，得出电解水与尿素电解的电池电压差值随着电流密度的增大而增大。稳定性测试表明不管是电解水还是电解尿素，ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂材料都表现出相对好的稳定性。

总结与展望

综上所述，研究者首次报道了利用简单的两步水热法在三维多孔泡沫镍上合成了MOF衍生的空心ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂。所得到的目标催化剂在HER和OER过程中均展现出出色的活性和稳定性。电解水装置在电池电压分别为1.522、1.721和1.788 V时，驱动电流密度分别为10、100和200 mA cm^-2。此外，ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂也表现出良好的UOR活性，在电流密度为20和100 mA cm^-2时，与OER活性相比，ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂的活性分别提高了199和221 mV。形貌分析表明，MOF结构的形成和维持主要依赖于ZnS的引入，而DFT计算表明，材料的电催化活性主要依赖于Co₉S₈和Ni₃S₂的协同作用。本实验中ZnS@Co₉S₈@Ni₃S₂的结构设计和性能优化对探索高效稳定的电解水和电解尿素催化剂提供了借鉴作用。

文章信息

相关工作以“MOF-derived Zn–Co–Ni sulfides with hollow nanosword arrays for high-efficiency overall water and urea electrolysis”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为中北大学杜晓强教授。

扫码获取全文https://doi.org/10.1016/j.gee.2021.09.007

通讯作者简介

杜晓强

杜晓强，男，博士，教授, 硕士研究生导师，中北大学化学与化工学院教师。至今已在Energy Environ. Sci., Adv. Fuct. Mater., Nano Energy, Chem. Commun., J. Mater. Chem. A, ACS Sustain. Chem. Eng., J. Catal., CrystEngComm,  J. Alloys Compd., Chem. Asian J., Phys. Chem. Chem. Phys., ChemCatChem, Dalton Trans.和Int. J. Hydrogen Energy等SCI学术刊物上发表研究论文100余篇。以第一作者或通讯联系人发表SCI论文90余篇。其中大类一区9篇，大类二区65篇，高被引论文2篇。主持国家自然科学基金青年基金，山西省基金青年基金，山西省高等学校科技创新项目和中北大学校基金各1项；多次受邀参加国内学术会议，并作会议报告。现为《物理化学学报》（Acta Physico-Chimica Sinica）青年编委，山西省化学会理事。

撰稿：原文作者编辑：GEE编辑部

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