Turning the Surface Electronic Effect Over Core-shell CoS2-FexCo1-xS2 Nanooctahedra Toward Electrochemical Water Splitting in the Alkaline Medium, Advanced Science 12,2411622 (2025)
利用表面電子效應調控核心-殼層結構的 CoS₂-FexCo₁₋ₓS₂ 奈米八面體，以提升鹼性環境下的電化學水分解效率。
Lian-Ming Lyu, Yu-Chung Chang, Han-Jung Li, Pei-En Wang, Ruei-Hung Juang, Ming-Yen Lu, Cheng-Shiuan Li, and Chun-Hong Kuo*
2025/04/22
電解水過程中包含的氧生成反應與氫生成反應常在不同 pH 環境下效率最佳，使得在同一鹼性條件下同時高效進行兩者變得困難。本團隊開發出一種具核心-殼層結構的 CoS₂–FexCo₁₋ₓS₂ 奈米八面體新型非貴金屬電催化劑，並成功控制其表面鐵含量，優化其電子結構。透過高解析 X 光繞射與精修分析，確認這些奈米結構確實具有明確的核心-殼層配置。以 Fe─OH─CoS₂ 為例，其成分中包含約 78.9% 的 CoS₂ 核心，以及 21.1% 的 Fe₀.₉₀₄Co₀.₀₉₆S₂ 殼層。這樣的組成經過最佳化，可以讓殼層的鐵與鈷原子互相影響電子結構，提升表面反應活性。利用密度泛函理論計算，當殼層組成為 Fe₀.₉Co₀.₁S₂ 時，氧氣產生過程中的能量障礙可降至 0.23 eV，比 Fe₀.₂₅Co₀.₇₅S₂（0.38 eV）與純 CoS₂（0.52 eV）都低很多。氫氣產生方面，水分解的能障僅 0.33 eV，氫原子的吸附自由能為 –0.06 eV，幾乎是理想的催化條件。這些結構與電子特性的改良，實際也反映在實驗數據中：這種 Fe─OH─CoS₂ 奈米催化劑，在鹼性水溶液（1 M KOH）中，只需 235 mV 的過電位就能產生氧氣、342 mV 就能產生氫氣，效率遠高於 CoS₂ 或 Fe₂O₃ 催化劑。本研究不僅提供了一種高效、低成本的鹼性水分解電催化劑，更利用同步輻射技術確認過渡金屬間晶體結構，電子效應與催化活性之間關聯性的理解。
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