我所提出调控界面硫迁移提升电解海水析氢催化剂性能新策略

近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心金属燃料电池系统研究组（DNL0313组）王二东研究员团队与催化与新材料研究中心（1500组群）杨冰副研究员等合作，在电解海水析氢催化剂研究方面取得新进展，揭示了催化剂在析氢过程中硫原子的动态迁移及碳层捕获机制，实现了析氢催化剂的超低过电位和良好稳定性。

过渡金属硫化物（TMSs）因其优异的催化活性，在氢析出反应 （HER）中备受关注。虽然TMSs在析氢过程中的表面重构可以显著提升HER活性，但通常伴随着硫组分的部分流失和缺陷的形成，这种硫原子的不可逆流失将导致TMSs长期稳定性下降、性能迅速衰减等问题。因此，实现对TMSs中硫浸出的精确调控对于保持催化剂的高活性和耐久性至关重要。

本工作中，团队针对这一挑战，通过构建氮掺杂碳（CN）壳封装的NiCoS异质结构（CN@NiCoS）电催化剂，精准调控界面硫迁移，克服了活性和稳定性之间的“跷跷板”关系。原位表征和理论计算揭示了CN@NiCoS催化剂中硫迁移和捕获的过程。Ni3S2/Co9S8异质界面促进了硫原子的脱出并形成硫空位，迁移的硫原子被CN层捕获，抑制了硫的不可逆溶解，从而提高了氢析出反应稳定性。此外，硫原子的动态迁移捕获过程中形成的硫掺杂的CN和硫空位（S-NC/Vs）位点进一步调控了TMSs的d电子结构，增强了氢析出反应活性。研究发现，在碱性纯水和海水介质中10mA/cm2电流密度下的过电位仅为4.6和8mV，可稳定工作1000小时。本工作实现了HER催化剂界面结构演变的动态捕捉，为高性能、长寿命电解海水制氢催化剂的设计提供了可行性方案。

相关研究成果以“Engineering interfacial sulfur migration by carbon encapsulation enables low overpotential for durable hydrogen evolution reaction”为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。该工作的第一作者是我所DNL0313组博士研究生李敏。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。（文/图 李敏）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50535-2