电解水制氢是一种清洁、高效、可持续的制氢技术，然而其阳极氧析出反应（OER）具有较高的理论电位（1.23 V vs RHE）与较大的过电位（~0.4 V），导致该技术应用的电力成本过高。与 OH^- 相比，HS^- 具有更低电负性、更大半径、更强的给电子能力，从而更易被氧化。因此，将阳极 OER 替换为热力学与动力学更容易发生的硫离子氧化反应（SOR），组成硫离子氧化辅助的氢析出反应体系（HER+SOR），可使理论的电解电压降至 0.17 V，远低于电解水体系的理论电压（1.23 V），极大提升能源利用效率。同时，SOR 还是电化学脱硫、H₂S 回收等体系中的核心步骤。因此，该 HER+SOR 体系在阴极制氢的同时，还可在阳极进行硫化氢废气去除与硫元素回收，提高了阳极产物的附加值，实现废物资源化。然而，硫离子对于金属电极具有很强的化学吸附与腐蚀作用，限制了电催化 SOR 的应用与发展。因此，开发高效、耐腐蚀的 SOR 电催化剂，构建高效的 HER+SOR 体系十分必要。

基于上述背景，上海交通大学的钟恒等设计并制备了一种硫化亚铜/泡沫镍（Cu₂S/NF）双功能电催化剂，并将其用作硫离子氧化辅助电解水产氢。作者首先利用铜盐与泡沫镍基底的氧化还原电位差，通过水热法制备 Cu₂O/NF 电极。再利用 Cu₂O 与 Cu₂S 的 K_sp 较大差异在室温下进行 O 与 S 的阴离子交换，制成 Cu₂S/NF 一体式催化电极。此电极在电催化 SOR 反应中展现出较低的过电位以及对硫的良好兼容性，从而得到较好的电化学活性与稳定性。作者还发现，相比于 Ni、Co 与 Fe 基材料，作为软酸的一价铜对作为软碱的 HS- 离子化学吸附能力更高；同时由于电极中硫离子的存在，溶液中的 HS- 在电极表面氧化后形成的多硫化物的脱附能力增强；硫化亚铜片状晶体原位生长于多孔泡沫镍上，提供了更多的活性位点以及更高的导电能力，这些特征协同促进 Cu₂S/NF 高效催化 SOR 反应。最后，鉴于 Cu₂S/NF 电极同时展现出的良好 HER 活性，作者将 Cu₂S/NF 电极作为双功能电催化剂构建了 SOR 辅助电化学产氢的双电极体系，在槽电压仅为 0.64 V 时就达到 100 mA/cm² 的电流密度，能量消耗相比传统电解水降低了 74%。本文为高效稳定 SOR 电催化剂设计以及新型高效电解水产氢体系的构建提供了新思路。该成果以“Sulfide-oxidation-assisted electrochemical water splitting for H2 production on a bifunctional Cu₂S/nickel foam catalyst”为题，发表在英国皇家学会期刊 Green Chemistry 上，并选为期刊封面文章（Inside Back Cover）。

• Sulfide-oxidation-assisted electrochemical water splitting for H₂ production on a bifunctional Cu₂S/nickel foam catalyst
  Yuhou Pei, Jiong Cheng, Heng Zhong* (钟恒，上海交通大学), Zhenfeng Pi, Yu Zhao, and Fangming Jin
  Green Chem., 2021, 23, 6975-6983.
  http://doi.org/10.1039/D1GC01857D

  

  
  

裴羽厚

上海交通大学

2015 年本科毕业于南开大学化学学院材料化学系，2018 年硕士毕业于南开大学化学学院应用化学系，目前是上海交通大学在读博士研究生。主要从事电化学分解水产氢，二氧化碳还原以及储能电池方向研究。目前以第一作者身份在 Green Chemistry、ChemsusChem 等期刊发表论文。

钟恒 副教授

上海交通大学

2007年毕业于南京航空航天大学航空宇航学院，获学士学位。2012 年与 2015 年分别获同济大学环境科学专业硕士学位和日本东京大学尖端跨学科工程专业博士学位。2015 至 2018 年先后在日本东北大学超临界流体中心与日本产业技术综合研究所化学过程技术研究所从事博士后工作。2018 年 3 月回国工作，任上海交通大学环境科学与工程学院副教授、博导。主要研究方向为水热及电化学还原二氧化碳、生物质水热资源化及液体储氢材料开发，发表 SCI 论文 40 余篇，申请发明专利 10 项。