高效双功能催化剂的制备仍然是电化学水分解的瓶颈。为了制备具有高活性和稳定性的非贵金属催化剂，我们提出了一种海藻状结构，该结构由在碳纳米管海绵网络上自组装的过渡金属硫化物纳米片（SW-CoS@CNT）组成。通过调整合成过程中的关键参数（例如，Co和S前驱体的负载量和比例），可以在很宽的范围内定制微观结构，并且可以通过热退火将硫缺陷引入纳米板。所得的 SW-CoS@CNT 用作独立的双功能催化电极，其析氢反应和析氧反应的过电位分别为 105 和 218 mV，优于大多数报道的过渡金属硫化物-碱性溶液中的催化剂。这种分层仿生结构的合理设计可能有助于在可再生能源和环境领域开发高性能电化学催化剂。
 
 
Figure 1. 海藻状催化剂结构的图解和表征图像。 (a) 左栏显示材料中单管的横截面图，右栏显示样品在不同制备阶段的微观结构。 (b) 具有光滑表面和 3D 网络结构的 CNTS 的 SEM 图像。 (c) CoS@CNT 的 SEM 图像，显示出强烈增加的直径和尖锐的纳米板覆盖表面。 (d) SW-CoS@CNT 的 SEM，其具有类似海藻的形态，具有钝的纳米板边缘，插图是在中国沿海地区广泛分布的常见马尾藻的图片。
  
Figure 2. 材料的 TEM 形貌、能量色散光谱 (EDS) 元素分布、高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM)、X 射线衍射 (XRD) 和电子顺磁共振 (EPR) 结构分析，包括 (a) CoS 的 TEM 图像@CNT，(b) SW-CoS@CNT 的 TEM 图像，(c) TEM 图像中 SW-CoS@CNT 的孔分布，(d) SW-CoS@CNT 的 HR-TEM 图像，清楚地显示缺陷 ( S空位），插图是CoS1.097的（220）平面的晶格空间。 (e) SW-CoS@CNT 的元素映射图像。 (f) CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XRD图，均与CoS1.097标准卡相匹配。 (g) CoS@CNT 和 SWCoS@CNT 的 EPR 图像，峰的位置表明存在 S 缺陷。
  
Figure 3. CoS@CNT和SW-CoS@CNT的XPS精细光谱； (a) CoS@CNT的Co 2p光谱； (b) CoS@CNT的S 2p光谱； (c) CoS@CNT的C 1s光谱； (d) SW-CoS@CNT的Co 2p光谱； (e) SW-CoS@CNT 的 S 2p 光谱； (f) SW-CoS@CNT 的 C 1s 光谱。 
 
Figure 4. 材料电化学性能和稳定性测试及催化结构示意图（a）碱性介质中的HER LSV曲线。 (b) 碱性介质中的 HER Tafel 斜率。 (c) SW-CoS@CNT 在电流 i-t 前后的 HER LSV 曲线，插图是电流 i-t 曲线。 (d) 碱性介质中的 OER LSV 曲线。 (e) 碱性介质中的 OER Tafel 斜坡。 (f) SW-CoS@CNT 在安培 i-t 前后的 OER LSV 曲线，插图是安培 i-t 曲线。 (g) SW-CoS@CNT 在碱性介质中 HER 和 OER 的机理和催化结构示意图。 
 
Figure 5. 使用双功能海藻状催化剂的材料性能比较、双层电容器和整体水分解测试。 (a) SW-CoS@CNT 与双金属系统和单金属系统的性能比较。(b) SW-CoS@CNT、SW-Co-0.8、SW-Co-的双层电容器0.6 和 SW-Co-0.4，将用于计算电化学表面积 (ECSA)。 (c) 整体水分解的 LSV 曲线；插图是水分解的照片，其中负载相同的 SW-CoS@CNT 的两个 CNTS 分别用作阴极和阳极。 (d) SW-CoS@CNT 的电流 i-t 测试，显示出优异的稳定性，72 小时后降低了 6.9%。
 
      相关研究工作由郑州大学Yuanyuan Shang课题组于2022年在线发表于《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，原文：Carbon Nanotube-Coupled Seaweed-like Cobalt Sulfide as a Dual-Functional Catalyst for Overall Water Splitting。

转自《石墨烯研究》公众号