Design Superior Alkaline Hydrogen Evolution Electrocatalyst by Engineering Dual Active Sites for Water Dissociation and Hydrogen Desorption

电催化剂 解吸 离解(化学) 材料科学 氢 催化作用 分解水 化学工程 无机化学 吸附 物理化学 化学 电化学 电极 有机化学 光催化 工程类
作者
Jianpo Chen,Qiuyan Jin,Yinwei Li,Yan Li,Hao Cui,Chengxin Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (42): 38771-38778 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.9b13657
摘要

In alkaline media, the water-dissociation-related Volmer process always suppresses the hydrogen formation/desorption process, which makes it challenging to develop non-noble-metal alkaline electrocatalysts with excellent catalytic activity. Here, we proposed a two-pronged strategy to simultaneously promote the kinetic process of both water dissociation and hydrogen desorption with the Co-doped WO 2 /amorphous Co x W hybrid electrocatalyst. Impressively, the optimized hybrid exhibits an outstanding hydrogen evolution reaction (HER) activity with the quite small Tafel slope of 19.77 mV dec –1 and ultralow overpotential of just 25 mV to reach a current density of 10 mA cm –2 in alkaline media. Both experiments and density functional theory calculations reveal that the top-level HER performance can be attributed to the cooperation of two different active components, in which the water molecule can easily be activated on the amorphous Co x W with low energy barrier (Δ G w = 0.46 eV), while hydrogen atoms can rapidly desorb from the Co-doped WO 2 with an optimal Gibbs free energy of hydrogen adsorption (Δ G H* = −0.06 eV). Also, the density functional theory calculation further confirms that the H* tends to combine with another H* via Tafel step rather than Heyrovsky step. The findings provide unique insights for the development of the state-of-the-art non-noble-metal HER electrocatalyst with a Pt-like kinetic behavior in alkaline media.
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