導讀：本文製備得到了原位生長在鈦網上的具有高氧化態的多孔自交聯CoS2材料（P-CoS2/Ti），其在鹼性條件下具有優異的析氫（HER）以及尿素氧化（UOR）催化性能，這為電解水制氫以及汙水處理提供了新思路。
氫氣作為一種儲量豐富、高質量能量密度的清潔環保能源，具有很好的發展前景。在眾多的制氫方法中，電解水制氫更為環保、高效。然而，陽極析氧反應（OER）為四電子反應，反應動力學十分緩慢，從而導致其較高的過電位。這種高過電位限制了電解水制氫的大規模實際應用。電解較易氧化的物質如甲醇、乙醇、甘油、聯氨、尿素等水溶液可以有效地降低電化學障礙。其中，尿素是一種廉價的可再生電氧化物質，且其電解氧化的理論電極電位僅為0.37 V。因此，電解尿素可以達到比水更高的能量轉換效率。此外，尿素氧化反應也可用於處理尿素引起的水汙染。但UOR是一個六電子轉移過程，其氣體逸出步驟複雜，動力學較慢。因此，為降低UOR的過電位，急需高性能的電催化劑。IrO2和RuO2等貴金屬是目前較好的UOR電化學催化劑，但其高成本和低豐度限制了其廣泛應用。
針對以上問題，青島科技大學宋曉明課題組報導了一種簡單的三步法（包括水熱合成，強鹼蝕刻和低溫硫化），以獲得原位生長在鈦網上的多孔自交聯CoS2 (P-CoS2/Ti)材料。此材料在電催化過程中表現出優異的雙功能催化活性和高穩定性：在10 mA/cm2 的電流密度下，HER的過電位僅91 mV，UOR的標準氫電位僅1.243 V。另外，當P-CoS2/Ti同時作為尿素分解的正極和負極時，僅需1.375 V即可達到10 mA/cm2 的電流密度。此工作近日以「Ti-Mesh supported porous CoS2 nanosheet self-interconnected networks with high oxidation states for efficient hydrogen production via urea electrolysis」為題發表於國際知名期刊《Nanoscale》上。
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/NR/D0NR02058C#!divAbstract
作者通過水熱、強鹼刻蝕以及硫化三步法製備得到P-CoS2/Ti。在蝕刻過程中，隨著鋁元素的去除，納米片內部形成了大量的氣孔，又在之後的硫化過程中，CoS2納米片之間形成了交聯的網絡結構。
此材料獨特的多孔納米結構以及納米片自交聯結構，能夠在HER和OER過程中提高氣體逸出率；鈦網基底可以大大提高材料電導率。另外，它具有較高價態的Co離子；以及UOR本身較低的理論電位。這些優勢都大大提升了材料的HER和UOR催化性能。
圖1. P-CoS2/Ti自交聯納米片的合成過程示意圖
圖2. P-CoS2/Ti及CoS2/Ti的形貌表徵。
圖3. P-CoS2/Ti（及對比樣）HER性能測試以及相應電化學表徵。
圖4. P-CoS2/Ti（及對比樣）UOR性能測試以及相應電化學表徵。
圖5. P-CoS2/Ti（及對比樣）同時作為陽極和陰極的尿素電解性能測試以及相應電化學表徵。
綜上所述，原位生長於鈦網上的多孔自交聯結構的CoS2複合材料，因其獨特的結構優勢，在鹼性條件下展現出十分優異的HER以及UOR性能。這既推動了電解尿素制氫的發展，也為構建製備高效簡便的電催化劑提供了新的思路。（文：天航）
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