硫化物氧化反應(SOR)是許多重要應用的中心步驟,如電化學脫硫、H2S回收、硫基電池等。硫化物氧化反應是電化學脫硫和硫基電池的覈心步驟之一。然而,硫鈍化嚴重阻礙了脫硫和硫電池的電化學效能。
本文報導了對硫物種具有弱相互作用的電催化劑的疏硫現象的發現。研製了一種自清潔NiS2電極,避免了SOR過程中固體硫長期困擾的鈍化問題。此外,硫空位被改造成NiS2晶格,合成v-NiS2用於析氫反應(HER)。由此產生的晶格膨脹和電子再分佈可以將吸附的氫調節到接近熱中性的狀態,使得HER具有高催化活性。通過將HER和SOR耦合,證明了高效脫硫和同時制氫。雙功能NiS2實現了這種一石二鳥的策略,以卓越的能效(1.05 gsulfurWh-1)實現了連續電化學脫硫。作為一般設計原則,疏硫電催化劑可以通過最小化充電期間S8的鈍化來改善鋰硫電池的效能。簡而言之,電催化劑和硫物質之間的介面相互作用在本文被系統地研究,並且顯著提高SOR的電化學效能。
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https://doi.org/10.1002/adfm.20210192
綜上所述,本文提出了一種疏硫策略來减少固硫在脫硫過程中長期存在的鈍化問題,這種鈍化由於效率低、能耗高而阻礙了電化學脫硫的實際應用。通過理論和實驗研究電催化劑與硫物種之間的介面相互作用,本文發現黃鐵礦NiS2的疏硫電催化劑可以實現自清潔電解,從而避免脫硫過程中的電壓跳變。還原程度越高的Ni-S鍵越有利於電子從硫物種轉移到催化劑。系統分析表明,固體硫的鈍化由於NiS2催化劑表面的排斥效應而被徹底抑制。此外,硫空位被設計到NiS2中,由於中間間隙狀態而提高其電子電導率,並調節吸附的氫達到熱中性狀態,囙此產生用於HER的v-NiS2的高效電催化劑。通過將HER和SOR配對,我們可以同時實現電化學脫硫和制氫。
圖1|脫硫和析氫的疏硫設計示意圖。
圖2|硫物質和固體表面間介面相互作用的表徵。
圖3|NiS2和v-NiS2的形態和結構特徵。
圖4|SOR的電化學表徵和鈍化分析。
圖5|釩-鎳鈦酸鹽作為HER催化劑的電化學表徵及理論分析。
圖6|使用雙功能NiS2同時脫硫和析氫示意圖。
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