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Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解

Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解
在堿性條件下電化學水分解是一種可持續的、有前途的制氫技術,并且其可用于大規模制氫。雖然商業Pt/C和IrO2/RuO2分別在析氫反應(HER)和析氧反應(OER)中表現出優異的活性,但其高成本和有限的可用性阻礙了它們的廣泛應用。近年來,非貴金屬基催化劑在低電流密度(10-50 mA cm?2)下對水分解表現出顯著的電催化活性,但它們在大電流密度下獲得高活性和耐久性仍面臨挑戰。
基于前人研究報道,在大電流密度下,水的吸附/解離和羥基(OH?)的吸附導致了較高的槽電壓。因此,為了在較低的過電位下開發出優異的大電流密度水分解雙功能催化劑(HER/OER),需要催化劑有足夠的活性位點使OH?/H2O快速吸附/解離、高電導率、連續的H2/O2逸出以及良好的機械穩定性。
Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解
Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解
近日,吉林大學蔣青朱永福中國科學院上海硅酸鹽研究所宋二紅多倫多大學Chandra-Veer Singh等通過一步自組裝策略設計了一種新型的雙功能電催化劑,該催化劑由Ni2P@Co9S8金屬異質結構導體與硫化泡沫鎳(VNF)組裝而成。實驗結果表明,所制備的Ni2P@Co9S8催化劑在100 mA cm?2電流密度下的HER和OER過電位分別為188和253 mV,并且表現出優異的穩定性。
此外,利用Ni2P@Co9S8作為陰極和陽極組裝的水電解槽在1.46 V時可以達到10 mA cm?2的電流密度,并且其在100 mA cm?2下電解100小時后,電壓僅略有下降。
Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解
Advanced Science:Ni2P@Co9S8電荷自調節,用于大電流下超低電位堿性水電解
實驗結果和理論計算表明,Co-3d和P-2p軌道之間的強雜化有助于Ni2P@Co9S8金屬異質結構的形成;并且,Ni2P@Co9S8中活性Ni位點的活性電子態隨著d帶中心的增加而高度增加,表明Ni2P@Co9S8的Ni2P中有更多的活性電子,這對于優化電荷轉移然后改善水分解性能是非常有利的;同時,由于Co-Co鍵與活性Ni原子之間的電子調控,費米能級附近Co位點的活性電子態減少,改善了中間體的吸附,進而提升了HER/OER性能。
總的來說,該項工作揭示了金屬異質結的電荷自調控機制,為提高催化劑在大電流密度下水分解的整體活性提供了一種有效的方法。
Charge self-regulation of metallic heterostructure Ni2P@Co9S8 for alkaline water electrolysis with ultralow overpotential at large current density. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202303682

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