中国海洋大学董博华团队 Small：部分非晶化纳米催化剂对反应中间体的优化吸附促进高效硫氧化反应

第一作者：刘新正

通讯作者：董博华

单位：中国海洋大学

用热力学上更有利的硫氧化反应（SOR）取代电解水中的析氧反应（OER）进行电解是实现低能耗制氢的同时去除废水中有毒硫离子，或者电解工业有毒废气硫化氢（H₂S）的一种有吸引力的策略。然而，同时具有活性和稳定性的SOR催化剂的研究仍然面临着很大的挑战。本研究为SOR制备了部分无定形的Ru掺杂CoSe（pa-Ru-CoSe）纳米催化剂。Ru的掺杂使Co处于缺电子状态，增强了对SOR中间体的吸附，提高了催化活性。同时，部分非晶的硒化物具有很强的抗硫腐蚀能力，从而保证了长期SOR的稳定性。此外，pa-Ru-CoSe在SOR-HER耦合系统中只需要0.566 V就能达到100 mA cm⁻²的电流密度，并在200小时内保持稳定。这项工作为SOR催化剂提供了一种有希望的部分无定形策略，具有催化活性和长期稳定性，实现了低能耗制氢的同时产出具有附加价值的产物硫。

近日，来自中国海洋大学的董博华课题组在国际知名期刊Small上发表题为“Partially Amorphous Ru-Doped CoSe Nanoparticles with Optimized Intermediates Adsorption for Highly Efficient Sulfur Oxidation Reaction”的研究文章。该研究为SOR制备了部分无定形的Ru掺杂CoSe（pa-Ru-CoSe）纳米催化剂，表现出优异的SOR催化性能，解决了SOR电催化剂活性与稳定性相结合的难题。实验和原位拉曼光谱表明，pa-Ru-CoSe的催化活性来源于Ru的掺杂调节了Co的电子结构，使得催化剂对电解质中的硫离子和多硫离子保持了优异的吸附作用，降低了反应能垒，促进了SOR的持续高效进行。同时，特殊的结构促进产物S8的高效去除，确保反应运行稳定。

非晶材料存在大量缺陷，暴露较多的活性位点，有利于催化活性的提高；结晶态材料通常具有更好的导电性。因此，构建晶态和非晶态共存的异质结构材料可以保持两者的优点，即非晶态区域提供丰富的活性位点，晶态区域提供快速的电荷转移。制备的pa-Ru-CoSe具有部分非晶特性，即结晶态和非晶态共存。形貌表征表明这种结晶态和非晶态共存的特征表现在单个纳米颗粒上，这保证了单个纳米颗粒也能兼具非晶态和结晶态的优点，从而提高催化活性。

制备的pa-Ru-CoSe纳米颗粒结合了结晶和非晶两种结构的优点，在三电极体系中仅需0.273 V (vs RHE)就能达到100 mA cm⁻²的电流密度，并且在120 mA cm⁻²的电流密度下能够稳定运行100 h；同时，在SOR与HER耦合的系统中，该催化剂仅需0.566 V的电压就能达到100 mA cm⁻²的电流密度，并且在220 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行200 h无明显衰减。

实验和XPS以及原位拉曼光谱表明，pa-Ru-CoSe的催化活性来源于Ru的掺杂调节Co的电子结构，使得催化剂对电解质中的硫离子和多硫离子保持了优异的吸附作用，降低了反应能垒，促进了SOR的持续高效进行。

Partially Amorphous Ru-Doped CoSe Nanoparticles with Optimized Intermediates Adsorption for Highly Efficient Sulfur Oxidation Reaction

董博华副教授简介：长期从事无机纳米功能材料研究，在无机功能纳米材料设计、可控合成及应用方面开展了深入研究；发现了二维非晶纳米结构的形成规律，建立了普适的晶态/非晶纳米材料的可控制备方法；以国家 “双碳”目标及海洋新能源开发需求为导向，将非晶纳米材料应用于光/电/热多维能源耦合分解（海）水和 H₂S等制氢领域，系统研究了非晶纳米结构提升催化性能的构效关系，为解决清洁氢能领域中贵金属关键核心材料的卡脖子和高成本问题提供了新的思路。已在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Small, Chem. Eng. J.等期刊发表100余篇论文，撰写英文专著1章节，授权发明专利6项，研究成果引起领域内同行的广泛关注，论文被正面引用3200余次，部分文章被Chemical Reviews, Nature Photonics, Nature Communications, JACS等、期刊广泛引用。担任EcoEnergy青年编委，入选Chemical Synthesis青年编辑工作组，担任Frontiers in Nanotechnology编委会编辑等。长期担任Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Angewandte Chemie International Edition, Small, Applied Catalysis B: Environmental等49个国际SCI期刊审稿人（https://orcid.org/0000-0002-0917-0204）。