高质量活性富硫缺陷的超薄多孔Co3S4纳米片在高效碱性电解水析氢中的应用

氢能具有热值高、产物清洁等特点，被认为是未来能源结构中最具潜力的清洁能源之一，在众多制备氢气的方法中，电解水制氢无疑是一种最具发展前景的途径。目前，非层状结构的过渡金属硫属化合物已被证实具有优异的电催化性能，但是仍然存在原子利用率不高而导致催化剂质量活性较低等问题。赋予纳米材料超薄或多孔结构能够较好地解决这个问题，然而利用传统的湿化学法合成过渡金属硫属化合物超薄二维纳米片的过程中，使用的表面活性剂会吸附在纳米片的表面难以去除，对其电催化析氢性能具有较大的影响；另一方面，合成的超薄二维纳米片干燥后也极易堆叠在一起，难以分散，降低了催化剂实际的电催化活性。此外，结构中存在适量的缺陷会显著提高催化剂的电解水性能，因此迫切需要发展一种简便普适的合成方法来制备表面干净的非层状结构过渡金属基富缺陷超薄多孔二维纳米片，用作高效电解水析氢的催化剂。

天津大学化学系的张兵教授和于一夫副教授团队利用无机有机层交替排列的过渡金属基无机有机杂化材料作为前驱体，创新性地发展了等离子体技术，干剥离制备了非层状结构的富缺陷超薄多孔二维纳米片。他们利用等离子体对有机分子的清洁作用，去除无机有机杂化前驱体中的有机层，获得表面清洁的无机超薄二维纳米片，避免有机组分在后续的电化学测试中对催化活性产生不利影响；利用等离子体的还原作用产生阴离子缺陷，利用等离子体的刻蚀作用在超薄片上形成孔结构。作者选择以Co₃S₄-TETA作为前驱体，合成富硫缺陷的Co₃S₄超薄多孔纳米片作为范例。它具有优异的碱性电解水析氢性能：在析氢过电势为200 mV时，质量活性高达1056.6 A•g^-1，是Co₃S₄纳米颗粒的107倍。此外，这种简便快速的化学转化策略具有较好的普适性，可拓展到富阴离子缺陷的CoSe₂和NiSe₂超薄多孔片的合成。该研究不仅可以获得其它现有方法难以获得的非层状结构过渡金属基富阴离子缺陷的超薄多孔二维纳米片，而且也可以为通过缺陷工程和超薄多孔结构工程调控二维纳米材料的电催化性能开辟新的途径。

相关成果近期发表在ACS Catalysis上，文章的通讯作者为于一夫副教授和张兵教授。该工作还得到北京光源郑黎荣博士和新加坡A*STAR/新加坡光源杜永华博士在X射线吸收精细结构谱表征与分析的支持与协作。

该论文作者为：Chao Zhang, Yanmei Shi, Yifu Yu, Yonghua Du, Bin Zhang

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Engineering Sulfur Defects, Atomic Thickness, and Porous Structures into Cobalt Sulfide Nanosheets for Efficient Electrocatalytic Alkaline Hydrogen Evolution

ACS Catal., 2018, 8, 8077, DOI: 10.1021/acscatal.8b02056

导师介绍

张兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/13340