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Directionally In Situ Self‐Assembled, High‐Density, Macropore‐Oriented, CoP‐Impregnated, 3D Hierarchical Porous Carbon Sheet Nanostructure for Superior Electrocatalysis in the Hydrogen Evolution Reaction

塔菲尔方程 材料科学 过电位 化学工程 催化作用 电催化剂 大孔隙 纳米结构 煅烧 纳米颗粒 纳米技术 碳纤维 分解水 电极 介孔材料 电化学 复合数 复合材料 化学 有机化学 物理化学 工程类 光催化
作者
Xiaoyan Wang,Fei Yang,Jie Chen,Yixiang Pan,Weiyong Yuan,Lian Ying Zhang,Chunxian Guo,Chang Ming Li
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:18 (2) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/smll.202103866
摘要

3D ZIF-67-particles-impregnated cellulose-nanofiber nanosheets with oriented macropores are synthesized via directional-freezing-assisted in situ self-assembly, and converted to 3D CoP-nanoparticle (NP)-embedded hierarchical, but macropores-oriented, N-doped carbon nanosheets via calcination and phosphidation. The obtained nanoarchitecture delivers overpotentials at 10 and 50 mA cm-2 and Tafel slope of 82.1 and 113.4 mV and 40.8 mV dec-1 in 0.5 M H2 SO4 , and of 97.1 and 136.6 mV and 51.2 mV dec-1 in 1 M KOH, all of which are superior to those of the most reported non-noble-metal-based hydrogen evolution reaction (HER) catalysts. This catalyst even surpasses commercial Pt/C for a much lower overpotential at high current densities, which is essential for large-scale hydrogen production. Its catalytic activity can be further optimized to become one of the best in both 0.5 M H2 SO4 and 1 M KOH. The outstanding catalytic activity is ascribed to the uniformly-dispersed small CoP NPs in the 3D carbon sheets and the hierarchical nanostructure with rich oriented pores. This work develops a facile, economical, and universal self-assembly strategy to fabricate uniquely nanostructured hybrids to simultaneously promote charge transfer and mass transport, and also offers an inexpensive and high-performance HER catalyst toward industry-scale water splitting.
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