工业副产物中丰富且有毒的H₂的电催化分解是一种有前途的能源转化技术，可用于生产H₂并同时去除这种环境污染物。但是，由于缺乏低成本、有效和坚固的电催化剂，阻碍了这种技术的发展。本文报道了一种引人注目的石墨烯包裹的金属催化剂，即氮掺杂的石墨烯包裹了一种非贵重的CoNi纳米合金作为阳极，用于从H₂S中高效电催化生产H₂。这种优化的催化剂可以以0.25 V的起始电势驱动阳极反应，该起始电势比水氧化反应所需的起始电势低1.24 V，并且输送的电流密度几乎是Pt/C的两倍。同时，它表现出约98％的H₂法拉第效率，并保持了500小时以上的长期耐久性，而没有任何衰减。密度泛函理论计算表明，CoNi和氮掺杂协同促进了石墨烯表面上多硫化物的形成。此外，演示显示了1200小时的稳定性，可通过这种石墨烯包裹的金属催化剂从工业合成气中除去H₂S杂质以产生氢气，证明了其在可持续能源应用中产生氢气的巨大潜力。
 
Figure 1.（a和b）CoNi(OH)_x–SiO₂和CoNi@NGs-SiO₂的TEM图像。（c–e）CoNi@NGs的HRTEM图像。插图：CoNi@NGs的模型结构。（e）图（d）的放大图。（f）EDX图。（g和i）与Co箔、商业Co₂O₃和商业Co₃O₄相比，CoNi@NGs的归一化Co K-edge XANES和相应的k²加权EXAFS光谱。（h和j）与Ni箔和市售NiO相比，CoNi@NGs的归一化Ni K-edge XANES和相应的k²加权EXAFS光谱。
 

Figure 2. （a）极化曲线。（b）带有1.2 V商业电池的设备直接驱动H₂S的分解的照片。（c）SOR极化曲线。（d）在SOR的电势为0.3 V、0.4 V和0.5 V时的电流密度。（e）催化剂的奈奎斯特图。（f和g）耐久性测试。（f）中的垂直虚线表示在500小时计时电流法测试中更换电解质的时间跨度（每36小时）。（f）中的阴影表示CoNi@NGs的电流密度在30 mA/cm²附近保持500小时。（g）中的极化曲线记录了（f）中500 h耐久试验前后CoNi@NGs的SOR活性。

 
Figure 3. H₂S分解的电催化过程和产物。（a）在100 mA/cm²的恒电流测试中，法拉第效率和产氢放出速率。（b）插图中电解质的250倍稀释电解质样品的UV-Vis光谱，反应在100 mA/cm²的恒电流测试中进行。（b）插图显示了50倍稀释的电解质样品的UV-Vis光谱，其颜色对应于插图中的反应时间。（c）阳极电解液的原位电化学UV-Vis试验在两个小时内在100 mA/cm²的恒电流试验中进行。（d）产品S的XRD表征。插图是收集的S粉产品。
 

Figure 4.（a）各种催化剂的SOR吉布斯自由能（DG）曲线。（b）实验得到的SOR极化曲线。（c）吸附在CoNi@NG上S的电荷密度差（Δρ）值。（d）当S吸附在原始石墨烯、CoNi@Gs和CoNi@NGs表面时，S（3p）和键合的C（2p）的投影态密度（DOS）的比较。虚线表示占用频段的中心。（e）在N-石墨烯表面和CoNi@NGs表面上的水溶液中形成多硫化物（S_x^*）的自由能曲线。
 

Figure 5.（a）在不同反应气体中，CoNi@NGs氧化活性的LSV曲线。（b）耐久性测量。
 
      相关研究成果于2020年由厦门大学Dehui Deng课题组，发表在Energy Environ. Sci.（DOI: 10.1039/c9ee03231b）上。原文：Highly efficient H₂ production from H₂S via a robust graphene-encapsulated metal catalyst。

摘自《石墨烯杂志》公众号：