在全球积极推进能源转型，大力发展清洁能源的大背景下，氢能作为一种清洁、高效且可持续的能源载体，正逐渐成为实现碳中和目标的关键力量。电催化水分解制氢技术中，开发低成本、高活性且稳定的催化剂是降低氢能生产成本的核心挑战。近日，材料与能源学院陈安然团队在ACS Catalysis期刊上发表题为“Regulating High Electron Spin State in Co3S4 for Enhanced Water Splitting”（DOI: 10.1021/acscatal.4c07849）的最新研究成果。团队提出了通过调控尖晶石硫化物Co3S4的配位结构，构建高自旋态双功能电催化剂（HS Co3S4）的策略，为高效电催化材料的设计提供了新思路。

传统电催化反应中，催化剂的电子结构直接影响其与反应中间体的相互作用。研究团队基于晶体场理论和密度泛函理论计算发现，低配位环境下的Co原子未成对电子占据高能级eg*轨道，形成高自旋态，显著加速了电子从催化剂到反应中间体的转移，降低了析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的活化能。实验结果表明，HER和OER过电位分别仅为70 mV和222 mV，HS Co3S4催化剂即可驱动10 mA cm-2电流密度。将HS Co3S4催化剂用作阴极和阳极，进一步组装的阴离子交换膜水电解槽仅需1.78 V电压即可达到工业级1 A cm-2电流密度，且稳定运行1000小时。这一成果为非贵金属催化剂的电子结构调控提供了理论指导，打破了传统催化剂活性与稳定性难以兼顾的瓶颈。

陈安然团队致力于新能源催化材料的设计与合成及其在电解水制氢、锂离子电池及电化学传感领域的应用研究，近年来在ACS Nano (3篇)、ACS Catalysis (2篇)、Carbon Energy (2篇)、Advanced Science (2篇)、Journal of Energy Chemistry (3篇)、Applied Catalysis B: Environmental (1篇)等国际权威学术刊物上发表论文62篇，合计被引用1300余次，多篇论文入选ESI高被引论文，入选并承担EcoEnergy期刊、Carbon Neutralization期刊和Rare Metals期刊的青年编委。

研究工作得到了国家自然科学基金委、云南省基础研究计划、云南省“兴滇英才支持计划”等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c07849

来源：材料与能源学院

编辑：张懿淼 责任编辑：李哲