高效的硫離子氧化反應助力電解水節能制氫

目前，海水電解系統的主要瓶頸在于陽極緩速的析氧反應，并且現有高效的析氧反應電極通常需要極高的電壓才能達到高電流密度，在這種情況下，海水中大量的氯離子在堿性條件下會發生嚴重的氯氧化反應，導致海水電解效率不佳并且釋放有毒的Cl2或ClO?離子腐蝕設備及污染環境。硫離子氧化反應對于取代析氧反應實現低能耗制氫以及凈化含硫污染物具有很大的潛力。然而，硫離子氧化反應的機理研究尚不完善并且硫在電極表面的沉積易造成失活。

近日，來自中南大學的唐愛東教授與中國地質大學(武漢)的楊華明教授合作，在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為“Bifunctional Co3S4 Nanowires for Robust Sulfion Oxidation and Hydrogen Generation with Low Power Consumption”的文章。這項工作提出了Co3S4參與的硫離子氧化反應中S2?逐步氧化成短鏈多硫化物后繼續氧化成S8的反應機制，并且搭建的全新混合海水電解裝置可同時用于陽極的硫離子氧化和陰極的海水還原實現低能耗制氫及高效處理含硫污水。

DOI: 10.1002/adfm.202212183

該項工作認為雖然一些基于硫化物的非貴金屬催化劑被報道可以提高硫離子氧化反應的活性，然而大多數催化劑過電位過高（普遍需要超過1.1V的過電位驅動100mA·cm-2)，并且S2-離子容易腐蝕或毒害催化劑影響其使用壽命進而導致催化性能不能滿足實際應用的要求。

基于此，本文提出利用簡單的兩步水熱法合成即可滿足復雜的富氯條件下的長時間節能制氫，又能在有毒的富硫條件下穩定催化硫離子氧化的雙功能Co3S4納米線，這為低成本及高效率的混合海水電解系統的設計開辟了新途徑。