海水電解是一種用于大規(guī)模生產高純度氫氣的有吸引力的技術。然而，由于海水環(huán)境的復雜性，高效的陽極催化劑應該廉價且穩(wěn)定，對析氧反應(OER)具有高活性。目前，雖然催化反應通常發(fā)生在表面，但催化劑的體積和形貌結構也對性能有重大影響，因此需要對催化劑的結構進行系統(tǒng)優(yōu)化。

近日，華東理工大學徐至、莊林洲和南京工業(yè)大學邵宗平等設計了一個3D CoFeS_x空心球催化劑，以實現(xiàn)高效穩(wěn)定電解海水。

實驗結果表明，H-CoFeS_x在堿性海水中，在420 mV的過電位下的電流密度高達150 mA cm^-2，并且該催化劑在100 mA cm^-2電流密度下連續(xù)工作超過700小時的電流衰減可以忽略不計。此外，H-CoFeS_x可以在100 mA cm^-2的電流密度下，在中性海水中穩(wěn)定運行約20 h且性能無明顯衰減，顯示出其在實際海水中的巨大應用潛力。

實驗、表征和理論模擬證明，空心球結構可以改善反應物在3D水平上的傳質，并增加催化劑在海水分解中的比面積。在材料中共摻入CoFe實現(xiàn)原子級協(xié)同作用以優(yōu)化電荷轉移，并促進活性位點向金屬(氧)氫氧化物的轉化，從而提高催化劑的活性、電導率、選擇性和穩(wěn)定性。同時，在OER過程中H-Co₃S₄和H-CoFeS_x中的S物種可以原位轉變?yōu)镾O₄^2-，在沒有額外添加劑的情況下，在表面提供保護層。

這項工作中展示的多尺度工程方法也可以應用于其他基于活性非貴金屬的OER電極，并促進大規(guī)模堿性海水分解產生氫氣。

Multiscale Engineering of Nonprecious Metal Electrocatalyst for Realizing Ultrastable Seawater Splitting in Weakly Alkaline Solution. Advanced Science, 2022. DOI: 10.1002/advs.202202387