综述：硫族化合物纳米材料在电催化中的应用：结构与成分发展的见解

这篇综述系统探讨了硫族化合物（Chalcogenides）纳米材料作为高效电催化剂在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中的应用，重点分析了其电子结构调控、异质结构设计（如CoS2/MXene）及掺杂策略（如Fe掺杂NiSe2），为替代贵金属（Pt/Ir/Ru）提供了低成本、高稳定性的解决方案，并展望了工业化应用的挑战与前景。

　　

硫族化合物纳米材料的电催化革命

引言

化石燃料的局限性推动清洁能源转型，氢能因其高能量密度成为理想载体。电催化水分解技术通过析氢反应（HER）和析氧反应（OER）实现绿色制氢，但贵金属催化剂（如Pt、IrO₂）的高成本制约其规模化应用。硫族化合物（含S/Se/Te的金属化合物）凭借可调电子结构和丰富活性位点，成为最具潜力的替代材料。

机理与挑战

水分解反应中，OER因四电子转移过程动力学缓慢成为限速步骤。碱性条件下，OER遵循吸附氧（M-O）或过氧中间体（MOOH）路径，而HER通过Volmer-Heyrovsky/Tafel机制进行。硫族化合物的导电性不足和酸性环境稳定性差是主要瓶颈。例如，Ni₃Te₂在10 mA cm^?2电流密度下仅需180 mV过电位，但长期运行后易发生相变。

材料创新策略

1. 1.

   异质结构设计：CoS₂/MXene界面电荷重分布显著提升电子传输速率，其过电位比纯CoS₂降低40%。

2. 2.

   缺陷工程：Cu_1.96S/Co₉S₈中的硫空位促进水分子解离，在碱性介质中稳定运行200小时。

3. 3.

   合金化效应：非晶态FeCoNi-S通过金属-S/O杂化键实现1.55 V的低电解电压，兼具HER（80 mV）和OER（280 mV）活性。

技术应用对比

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  碱性电解（AWE）：采用Ni电极，成本最低但电流密度受限（0.45 A/cm²）。

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  质子交换膜（PEMWE）：需Pt/Ir催化剂，但可达20 A/cm^?2超高电流密度。

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  阴离子膜（AEMWE）：Sustainion膜在1.0 M KOH中实现3.0 A/cm^?2，兼具成本与效率优势。

未来方向

开发多孔纳米锥阵列（如NiFeMn合金）和液相外延生长技术可同步优化导电性与活性位点密度。理论计算需结合原位表征（如Operando SEM），揭示Se-Ru-O桥键等界面动态演变机制。

结论

硫族化合物通过组分-结构-性能的精准调控，已接近商业铂族催化剂的活性阈值。规模化生产与膜电极集成将是下一阶段突破重点，推动氢能经济落地。