Advanced Science:Ni2P@Co9S8电荷自调节,用于大电流下超低电位碱性水电解

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在碱性条件下电化学水分解是一种可持续的、有前途的制氢技术,并且其可用于大规模制氢。虽然商业Pt/C和IrO2/RuO2分别在析氢反应(HER)和析氧反应(OER)中表现出优异的活性,但其高成本和有限的可用性阻碍了它们的广泛应用。近年来,非贵金属基催化剂在低电流密度(10-50 mA cm−2)下对水分解表现出显著的电催化活性,但它们在大电流密度下获得高活性和耐久性仍面临挑战。


基于前人研究报道,在大电流密度下,水的吸附/解离和羟基(OH)的吸附导致了较高的槽电压。因此,为了在较低的过电位下开发出优异的大电流密度水分解双功能催化剂(HER/OER),需要催化剂有足够的活性位点使OH/H2O快速吸附/解离、高电导率、连续的H2/O2逸出以及良好的机械稳定性。
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近日,吉林大学蒋青朱永福中国科学院上海硅酸盐研究所宋二红多伦多大学Chandra-Veer Singh等通过一步自组装策略设计了一种新型的双功能电催化剂,该催化剂由Ni2P@Co9S8金属异质结构导体与硫化泡沫镍(VNF)组装而成。实验结果表明,所制备的Ni2P@Co9S8催化剂在100 mA cm−2电流密度下的HER和OER过电位分别为188和253 mV,并且表现出优异的稳定性。
此外,利用Ni2P@Co9S8作为阴极和阳极组装的水电解槽在1.46 V时可以达到10 mA cm−2的电流密度,并且其在100 mA cm−2下电解100小时后,电压仅略有下降。
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实验结果和理论计算表明,Co-3d和P-2p轨道之间的强杂化有助于Ni2P@Co9S8金属异质结构的形成;并且,Ni2P@Co9S8中活性Ni位点的活性电子态随着d带中心的增加而高度增加,表明Ni2P@Co9S8的Ni2P中有更多的活性电子,这对于优化电荷转移然后改善水分解性能是非常有利的;同时,由于Co-Co键与活性Ni原子之间的电子调控,费米能级附近Co位点的活性电子态减少,改善了中间体的吸附,进而提升了HER/OER性能。
总的来说,该项工作揭示了金属异质结的电荷自调控机制,为提高催化剂在大电流密度下水分解的整体活性提供了一种有效的方法。
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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