石河子大学陈龙教授团队Fuel发文:S掺杂Co3Se4/Fe3Se4异质结构的新型电催化剂用于甲醇氧化辅助电解水制氢

氢能作为一种清洁、可再生的能源，在未来的能源利用中具有重要的作用。电解水制氢具有广泛的应用空间，电催化水分解过程中的阳极半反应OER，涉及多步的电子/质子转移，其动力学过程缓慢，通常需要较高的过电位。由于OER的动力学限制，利用其他小分子有机物氧化来替代OER作为制氢的阳极反应也受到了关注。甲醇作为一种廉价而丰富的有机原料，可通过甲醇氧化反应（MOR）取代OER进行耦合制氢同时产生高附加值产物，因此，设计和制备具有良好催化性能的非贵金属双功能OER和MOR电催化剂用于碱性条件下的电解水制氢具有重要意义。

钴铁水滑石（CoFe-LDH）是一种具有高性能、稳定性的OER催化剂，但其存在导电性较弱，活性位点有限等问题，限制了实际应用。通过缺陷工程和异质结构来优化活性位点的电子结构和导电性是提高其电催化性能的有效策略，本工作利用硫化物和硒化物的溶度积常数（Ksp）不同，成功构建了S-Co₃Se₄/Fe₃Se₄异质结构，独特的纳米线-纳米片阵列结构增加了暴露的活性位点的数量，硫的掺杂不仅调整了Co的电子结构，而且还诱导了硒空位和导电性的增强。通过OER后的表征，确定了OER过程的主要活性位点。研究了其优异的电催化性能的内在机理，为异质结构的电子结构调控提供了可行的策略，并为OER和MOR双功能电催化剂的开发提供了实际参考。

近日，石河子大学化学化工学院陈龙教授团队发表了研究性文章，该论文设计了一种S掺杂Co₃Se₄/Fe₃Se₄（S-Co₃Se₄/Fe₃Se₄）异质结构的新型电催化剂，在1M氢氧化钾中表现出优异的析氧反应（OER）性能，仅需要255 mV的过电位就能达到100 mA/cm²的电流密度。在MOR耦合制氢时，在1.48 V下就能实现10 mA/cm²的电流密度，比传统电催化剂降低了10 %的能耗。

相关文章以“Anion-induced vacancy enhances Co₃Se₄/Fe₃Se₄ heterostructures for high-efficiency hydrogen production”为题发表在Fuel（中科院一区，IF7.4）上。本文第一作者为石河子大学化学化工学院郑阳硕士，通讯作者为陈龙教授，通讯单位为石河子大学。

图3. OER性能测试

作者采用水热法合成了一种高活性和稳定性的S掺杂硒化异质结构电催化剂，并应用于OER和MOR。S的引入不仅诱导了硒空位的增强，还优化了Co电子结构，呈现出高价态，有利于OER进行。同时，S和Se的相互作用加速了电荷转移，提高了电荷转移速率。在泡沫镍基底上垂直生长的纳米薄片结构有效地缩短了传质途径，阻止了活性位点的聚集，提高了其催化活性和稳定性。同时，通过OER后表征，确定了OER过程的主要活性位点为Co，丰富了OER机理的研究。基于这些性能优化策略，合成了具有优异性能的双功能碱性电催化剂。这是一种有效的催化性能优化策略，不仅可以提高OER的性能，而且可以推广到MOR，生产高附加值的产品，具有良好的应用前景。