工業(yè)副產(chǎn)物中豐富且有毒的H
2的電催化分解是一種有前途的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，可用于生產(chǎn)H
2并同時(shí)去除這種環(huán)境污染物。但是，由于缺乏低成本、有效和堅(jiān)固的電催化劑，阻礙了這種技術(shù)的發(fā)展。本文報(bào)道了一種引人注目的石墨烯包裹的金屬催化劑，即氮摻雜的石墨烯包裹了一種非貴重的CoNi納米合金作為陽極，用于從H
2S中高效電催化生產(chǎn)H
2。這種優(yōu)化的催化劑可以以0.25 V的起始電勢(shì)驅(qū)動(dòng)陽極反應(yīng)，該起始電勢(shì)比水氧化反應(yīng)所需的起始電勢(shì)低1.24 V，并且輸送的電流密度幾乎是Pt/C的兩倍。同時(shí)，它表現(xiàn)出約98％的H
2法拉第效率，并保持了500小時(shí)以上的長(zhǎng)期耐久性，而沒有任何衰減。密度泛函理論計(jì)算表明，CoNi和氮摻雜協(xié)同促進(jìn)了石墨烯表面上多硫化物的形成。此外，演示顯示了1200小時(shí)的穩(wěn)定性，可通過這種石墨烯包裹的金屬催化劑從工業(yè)合成氣中除去H
2S雜質(zhì)以產(chǎn)生氫氣，證明了其在可持續(xù)能源應(yīng)用中產(chǎn)生氫氣的巨大潛力。
Figure 1.（a和b）CoNi(OH)
x–SiO
2和CoNi@NGs-SiO
2的TEM圖像。（c–e）CoNi@NGs的HRTEM圖像。插圖：CoNi@NGs的模型結(jié)構(gòu)。（e）圖（d）的放大圖。（f）EDX圖。（g和i）與Co箔、商業(yè)Co
2O
3和商業(yè)Co
3O
4相比，CoNi@NGs的歸一化Co K-edge XANES和相應(yīng)的k
2加權(quán)EXAFS光譜。（h和j）與Ni箔和市售NiO相比，CoNi@NGs的歸一化Ni K-edge XANES和相應(yīng)的k
2加權(quán)EXAFS光譜。
Figure 2. （a）極化曲線。（b）帶有1.2 V商業(yè)電池的設(shè)備直接驅(qū)動(dòng)H
2S的分解的照片。（c）SOR極化曲線。（d）在SOR的電勢(shì)為0.3 V、0.4 V和0.5 V時(shí)的電流密度。（e）催化劑的奈奎斯特圖。（f和g）耐久性測(cè)試。（f）中的垂直虛線表示在500小時(shí)計(jì)時(shí)電流法測(cè)試中更換電解質(zhì)的時(shí)間跨度（每36小時(shí)）。（f）中的陰影表示CoNi@NGs的電流密度在30 mA/cm
2附近保持500小時(shí)。（g）中的極化曲線記錄了（f）中500 h耐久試驗(yàn)前后CoNi@NGs的SOR活性。
Figure 3. H
2S分解的電催化過程和產(chǎn)物。（a）在100 mA/cm
2的恒電流測(cè)試中，法拉第效率和產(chǎn)氫放出速率。（b）插圖中電解質(zhì)的250倍稀釋電解質(zhì)樣品的UV-Vis光譜，反應(yīng)在100 mA/cm
2的恒電流測(cè)試中進(jìn)行。（b）插圖顯示了50倍稀釋的電解質(zhì)樣品的UV-Vis光譜，其顏色對(duì)應(yīng)于插圖中的反應(yīng)時(shí)間。（c）陽極電解液的原位電化學(xué)UV-Vis試驗(yàn)在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)在100 mA/cm
2的恒電流試驗(yàn)中進(jìn)行。（d）產(chǎn)品S的XRD表征。插圖是收集的S粉產(chǎn)品。
Figure 4.（a）各種催化劑的SOR吉布斯自由能（DG）曲線。（b）實(shí)驗(yàn)得到的SOR極化曲線。（c）吸附在CoNi@NG上S的電荷密度差（Δρ）值。（d）當(dāng)S吸附在原始石墨烯、CoNi@Gs和CoNi@NGs表面時(shí)，S（3p）和鍵合的C（2p）的投影態(tài)密度（DOS）的比較。虛線表示占用頻段的中心。（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*）的自由能曲線。
Figure 5.（a）在不同反應(yīng)氣體中，CoNi@NGs氧化活性的LSV曲線。（b）耐久性測(cè)量。
相關(guān)研究成果于2020年由廈門大學(xué)Dehui Deng課題組，發(fā)表在Energy Environ. Sci.（DOI: 10.1039/c9ee03231b）上。原文：Highly efficient H
2 production from H
2S via a robust graphene-encapsulated metal catalyst。
摘自《石墨烯雜志》公眾號(hào)：
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