具有核/壳结构的多孔Co₃S₄/CoP纳米棒析氢催化性能研究

钟伟

2017-10-12

氢能作为零碳排放能源被公认为是最清洁的能源之一。氢气无毒，与其他燃料相比氢气的燃烧产物仅为水，不会产生对环境有害的污染物质；在所有化石燃料和生物燃料中，氢气具有最高的比能量密度，高达142.35 kJ/kg；单位质量的氢气燃烧产生的能量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍；另外，氢气可以气态、液态或固态金属氢化物形式存在，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。如何有效可持续地产氢是未来人类步入氢能经济首先要解决的关键问题。在所有制氢技术中，电解水制氢是最有希望并能可持续发展的途径，由于该技术的最初反应原料是水，而水是一种地球含量丰富且可再生的资源。但由于电解水反应中阴极氢析出反应(HER)对铂基材料以及阳极氧析出反应(OER)对氧化铱、氧化钌(铂、铱、钌均属于贵金属)的高度依赖，限制了其实际应用。发展地球含量丰富的非贵金属催化剂势在必行。基于此背景，我们设计、合成了具有核/壳结构的多孔Co₃S₄/CoP纳米棒并系统研究了其析氢催化性能。

首先，我们采用水热法合成了Co(CO₃)_0.5(OH)·0.11H₂O纳米棒前驱体，如图1所示。

Figure 1. (a) Powder XRD spectrum, (b) SEM image ofthe cobalt precursor

以得到的钴前驱体、NaH2PO2和S粉为原料，采用化学气相沉积法合成出具有核/壳结构的多孔Co₃S₄/CoP纳米棒，合成机理如图2所示。

Figure 2. Schematic illustration for the synthesis ofCo3S4/CoP hybrid NRs. (a) Schematic diagram of experimental device, (b) theformation mechanism of the core-shell structure via the Kirkendall effect.

得到的Co₃S₄/CoP纳米棒具有核/壳结构，内部为Co₃S₄纳米棒，被多孔的CoP壳层所包覆，如图3所示。

Figure 3. (a) SEM, (b) TEM, (c–f) EDS mapping and (g)HRTEM images of Co₃S₄/CoP NRs

析氢催化反应研究结果表明，Co₃S₄/CoP纳米棒具有比单纯的Co₃S₄和CoP更为优异的催化性能，这是由于Co₃S₄内核与多孔的CoP外壳之间的协同效应所致（见图4和表1）。

Figure 4. (a) LSV curves,  (b) corresponding Tafel plots of the 20% Pt/C, Co₃S₄/CoP,Co₃S₄ and CoP catalysts derived from the polarizationcurves, (c) Nyquist plots and (d) stability test

Table 1. Summary of theelectrochemical parameters of Co₃S₄/CoP, Co₃S₄and CoP

该工作得到国家自然科学基金（11474151）和973计划（2012CB932304）的资助。

相关工作发表在Scientific Reports, 7, 11891 (2017)上