高效的硫离子氧化反应助力电解水节能制氢

目前，海水电解系统的主要瓶颈在于阳极缓速的析氧反应，并且现有高效的析氧反应电极通常需要极高的电压才能达到高电流密度，在这种情况下，海水中大量的氯离子在碱性条件下会发生严重的氯氧化反应，导致海水电解效率不佳并且释放有毒的Cl2或ClO?离子腐蚀设备及污染环境。硫离子氧化反应对于取代析氧反应实现低能耗制氢以及净化含硫污染物具有很大的潜力。然而，硫离子氧化反应的机理研究尚不完善并且硫在电极表面的沉积易造成失活。

近日，来自中南大学的唐爱东教授与中国地质大学(武汉)的杨华明教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Bifunctional Co3S4 Nanowires for Robust Sulfion Oxidation and Hydrogen Generation with Low Power Consumption”的文章。这项工作提出了Co3S4参与的硫离子氧化反应中S2?逐步氧化成短链多硫化物后继续氧化成S8的反应机制，并且搭建的全新混合海水电解装置可同时用于阳极的硫离子氧化和阴极的海水还原实现低能耗制氢及高效处理含硫污水。

DOI: 10.1002/adfm.202212183

该项工作认为虽然一些基于硫化物的非贵金属催化剂被报道可以提高硫离子氧化反应的活性，然而大多数催化剂过电位过高（普遍需要超过1.1V的过电位驱动100mA·cm-2)，并且S2-离子容易腐蚀或毒害催化剂影响其使用寿命进而导致催化性能不能满足实际应用的要求。

基于此，本文提出利用简单的两步水热法合成即可满足复杂的富氯条件下的长时间节能制氢，又能在有毒的富硫条件下稳定催化硫离子氧化的双功能Co3S4纳米线，这为低成本及高效率的混合海水电解系统的设计开辟了新途径。