Onttojen kobolttisulfidi-nanopallojen vaihe- ja koostumusohjattu synteesi sähkökatalyyttistä vedenjakoa varten – Nanoscale (RSC Publishing)

Halpojen, erittäin tehokkaiden ja stabiilien elektrokatalyyttien kehittäminen sekä hapen että vedyn evoluutioreaktioita (OER ja HER) varten on erittäin tärkeää vedenjakoteknologian laajamittaisen käyttöönoton kannalta. Tässä raportoimme kobolttisulfidin (CoSx) onttojen nanopallojen (HNS) vaihe- ja koostumuskontrolloidusta synteesistä ja niiden katalyyttisestä tehokkuudesta vedyn ja hapen evoluutioreaktioissa emäksisissä väliaineissa. Kolme CoSx-yhdistettä, eli Co9S8-, Co3S4- ja CoS2-HNS-yhdisteet, syntetisoitiin täsmällisesti säätämällä yksinkertaisesti hiilidisulfidin ja kobolttiasetaatin moolisuhdetta käyttämällä helppoa liuospohjaista strategiaa. Sähkökemialliset tulokset osoittavat, että valmistetuilla CoS2 HNS-yhdisteillä on parempi OER- ja HER-katalyyttinen suorituskyky kuin Co9S8- ja Co3S4 HNS-yhdisteillä 1,0 M KOH:ssa, jolloin OER:n ylipotentiaali on 290 mV ja HER:n ylipotentiaali 193 mV 10 mA cm-2:lla ja vastaavat Tafel-kaltevuudet ovat 57 mV ja 100 mV dec-1. Lisäksi CoS2 HNS:llä on huomattava pitkäaikainen katalyyttinen kestävyys, joka on jopa parempi kuin jalometallikatalyytit RuO2 ja Pt/C. Lisäksi emäksinen elektrolysaattori, joka on koottu käyttämällä CoS2 HNS:iä sekä anodi- että katodimateriaaleina, voi saavuttaa 10 mA cm-2 alhaisella 1,54 V:n kennojännitteellä 60 °C:n lämpötilassa, jolloin faradaaninen hyötysuhde on 100 % veden kokonaishalkaisussa. Lisäanalyysi osoittaa, että Con+ -aktiivisten paikkojen pintamorfologia, kiteinen rakenne ja koordinaatioympäristö yhdessä määrittävät HER/OER-aktiivisuuden syntetisoidussa binäärisessä CoSx-sarjassa, mikä antaisi tietoa siirtymämetallien kalkogenidien rationaalisesta suunnittelusta erittäin tehokkaaseen vety- ja happipitoiseen elektrokatalyysiin.