分級結構CuCo2S4納米陣列用於高效耐久的水氧化電催化

隨著化石燃料的日益枯竭以及全球性環境問題的日益嚴峻，人們急需探索一種新型生態環保且可再生的能量載體。乾淨、可持續的氫能被認為是一種理想的化石能源替代品，而電解水提供了一種大規模製取高純氫的好方法。受限於多電子傳輸的過程，陽極的水氧化半反應目前仍是電解水的瓶頸，需要高效的水氧化催化劑來加速該類反應的動力學，從而達到在極小的過電位下獲得高催化電流密度。儘管目前釕基和銥基金屬氧化物表現出最高的水氧化催化活性，但其地球蘊藏量低、價格高昂，極大地限制了其大規模商業化應用，大量的研究人員開始致力於開發高效的水氧化催化劑。

圖1.（a-d）CuCo2S4/CF的X射線衍射圖譜、掃描電鏡成像、掃描及對應的Cu、Co、S元素漫譜圖和能譜圖；（e-f）CuCo2S4的透射和高分辨透射電鏡圖，插圖為選區電子衍射花樣；（g-l）催化劑的水氧化性能圖。

四川大學的孫旭平課題組在以往的研究中發現，二元過渡金屬硫化物相對於單金屬硫化物而言具有更加優異的水氧化催化性能（Nano Res.,2016,9, 3346;J. Mater. Chem. A,2015,3, 23207）。其中，大晶胞的尖晶石型過渡金屬硫化物可以暴露更多的棱邊，具有更多的電子傳輸通道、更窄的禁帶寬度以及更加豐富的氧化還原對，從而有利於電化學性能的進一步提升（Nanoscale,2015,7, 15122）。分級結構納米陣列相比於一般的納米陣列而言可以提供更多的暴露活性位點，吸引越來越多研究者的關注（Small,2017,13, 1602755;Nano Energy,2016,20, 294）。基於此，課題組成員通過兩步水熱法在泡沫銅上製備出具有分級結構的CuCo2S4納米陣列。該催化劑在1.0 M的KOH溶液中表現出優異的水氧化電催化性能，分別僅需要259和295 mV的過電勢驅動10 mA?cm-2的幾何催化電流密度，優於單金屬的Co?S/CF和Cu?S/CF對照。該催化劑還表現出良好的電化學穩定性和高轉換頻率。

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