科研进展丨电解海水制氢耦合电化学硫离子氧化制备多色硫量子点
硫量子点（SQDs）作为一种新型非金属发光纳米材料，凭借其优异的光致发光特性、良好的生物相容性和低廉的成本，已在细胞成像、抗菌治疗、发光器件与光催化、传感及食品包装等领域获得广泛应用。但目前大多数文献报道的SQDs的合成方法仍面临条件苛刻、耗时长、能耗较高及环境不友好等问题，难以实现SQDs的大规模生产。另一方面，海水电解制氢是解决全球能源危机的重要途径之一，但传统海水电解面临阳极氯析出反应（CER）干扰、电解能耗居高不下（通常 > 4.5–6 kWhm-3 H2）等技术瓶颈，严重制约其产业化进程。最近，松山湖材料实验室能源转换与存储材料团队与中国地质大学（北京）的研究人员合作，首次报道了将硫离子氧化反应与海水电解制氢耦合，实现“一石二鸟”的策略，即在阴极高效产氢的同时，将阳极电氧化生成的多硫化物进一步转化为具有高附加值的多色硫量子点。这种通过“硫离子氧化反应（sulfion oxidation reaction, SOR）—析氢反应”耦合制备高价值SQDs和H2的混合海水电解策略，不仅解决了传统硫量子点反应条件苛刻、能耗高、规模化困难的问题，还解决了海水电解能耗高、析氯反应（CER）干扰等挑战，实现了“氢气+高价值SQDs”的协同产出，推动了大规模氢能生产与功能纳米材料制备领域的融合，为“双碳”目标下的能源转型与材料绿色合成提供了新思路。
首先，研究人员通过两步聚合物辅助热解工艺制备出了质量负载达8.23 wt%的Co-SAs-PNC单原子催化剂（图1a）。通过一系列先进表征手段证实了以这种方法制备的催化剂中金属Co以单原子形式均匀锚定在多孔氮掺杂碳载体上（图1b-g）。在SOR性能方面，Co-SAs-PNC在碱性改性海水（天然海水+2.0 M Na2S）中表现出优异的SOR性能：仅需0.536 V vs. RHE即可以达到500 mA cm-2，并在此电流密度下稳定运行116 h。在MEA流动电解池测试中，以Co-SAs-PNC为阳极、商业Pt/C（40 wt% Pt, TKK）为阴极的电解池在1.01V下即可实现500 mA cm-2的电流密度，并可连续稳定运行450 h以上。高电流密度下的运行不仅能提升生产H2的效率还能显著提升合成SQDs的产率。
图1：Co-SAs-PNC的结构表征。(a) Co-SAs-PNC合成过程示意图。(b) XRD谱图。(c) SEM图像。(d) TEM图像。(e) 高分辨TEM图像。(f) HAADF-STEM图像及C、N、Co的元素分布图。(g) Co-SAs-PNC的原子级像差校正HAADF-STEM图像（黄色圆圈标出代表性高度分散的Co单原子）
此外，研究人员通过将阳极电解产物形成的短链多硫化物（Sx2-，2 ≤ x ≤ 4）与PEG 400在70 ℃下反应制备出了具有多色发光的SQDs（图2a）。相比于大部分研究报道的将多硫化物通过酸化处理转化为单质硫（1.6 ~ 4.8 $/kmol）的方法，本工作将多硫化物升级转化为SQDs并与制氢耦合能极大提升资源利用效率与电解槽整体经济价值。所得SQDs呈球形纳米颗粒形貌，平均粒径为3.16 nm（图2b−c）。研究人员通过UV-vis（图2d）、PL光谱（图2e）、荧光寿命（图2f）证实了SQDs具有丰富的表面缺陷态。这些丰富的形态导致其具有激发波长依赖的多色发光特性，当激发波长从300 nm增至460 nm时，发射峰从430 nm红移至550 nm，可实现蓝、青、绿三色调控（图4g−i）。这种可调的荧光特性（图4j−k）使得其在信息防伪、生物成像等领域拥有巨大的应用前景。
本工作以“Electrochemical Sulfion Upgrading to Multicolor Sulfur Quantum Dots Coupled with Hydrogen Production via Hybrid Electrolysis”为题于2026年1月6号发表在领域内知名期刊《Advanced Functional Materials》上。能源转换与存储材料团队联培博士生冉润、副研究员黄浩量、陈清清博士为文章的共同第一作者，能源转换与存储材料团队刘利峰研究员和中国地质大学（北京）彭志坚教授为文章的共同通讯作者。
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