Phasen- und zusammensetzungskontrollierte Synthese von Kobaltsulfid-Nanohohlkugeln für die elektrokatalytische Wasserspaltung – Nanoscale (RSC Publishing)

Die Entwicklung preiswerter, hocheffizienter und stabiler Elektrokatalysatoren sowohl für Sauerstoff- als auch für Wasserstoffentwicklungsreaktionen (OER und HER) ist für die großtechnische Umsetzung der Wasserspaltungstechnologie äußerst wichtig. In diesem Artikel berichten wir über die phasen- und zusammensetzungsgesteuerte Synthese von Kobaltsulfid (CoSx)-Hohlnanokugeln (HNS) und deren katalytische Effizienz für Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen in alkalischen Medien. Drei CoSx-Verbindungen, d. h. Co9S8, Co3S4 und CoS2 HNS, wurden durch einfache Anpassung des molaren Verhältnisses von Schwefelkohlenstoff zu Cobaltacetat mit einer einfachen lösungsbasierten Strategie präzise synthetisiert. Die elektrochemischen Ergebnisse zeigen, dass die so hergestellten CoS2-HNS eine bessere OER- und HER-Katalysatorleistung als Co9S8- und Co3S4-HNS in 1,0 M KOH aufweisen, mit Überspannungen von 290 mV für die OER und 193 mV für die HER bei 10 mA cm-2 und entsprechenden Tafelsteigungen von 57 bzw. 100 mV dec-1. Darüber hinaus weisen die CoS2-HNS eine bemerkenswerte katalytische Langzeitbeständigkeit auf, die sogar den Edelmetallkatalysatoren RuO2 und Pt/C überlegen ist. Darüber hinaus kann ein alkalischer Elektrolyseur, der CoS2 HNS als Anoden- und Kathodenmaterial verwendet, 10 mA cm-2 bei einer niedrigen Zellspannung von 1,54 V bei 60 °C mit einem faradaischen Wirkungsgrad von 100 % für die gesamte Wasserspaltung erreichen. Weitere Analysen zeigen, dass die Oberflächenmorphologie, die kristallografische Struktur und die Koordinationsumgebung der aktiven Con+-Stellen in Kombination die HER/OER-Aktivitäten in den synthetisierten binären CoSx-Serien bestimmen, was einen Einblick in das rationale Design von Übergangsmetall-Chalkogeniden für eine hocheffiziente Elektrokatalyse unter Beteiligung von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen würde.