Highly Active and Stable Hybrid Catalyst of Cobalt-Doped FeS2 Nanosheets–Carbon Nanotubes for Hydrogen Evolution Reaction

过电位 塔菲尔方程 催化作用 化学 电催化剂 碳纳米管 化学工程 电化学 黄铁矿 无机化学 吸附 物理化学 矿物学 有机化学 工程类 电极
作者
Di Yan Wang,Mali Gong,Hung Lung Chou,Chun Jern Pan,Hsin An Chen,Yingpeng Wu,Meng Lin,Mingyun Guan,Jiang Yang,Chun-Wei Chen,Yuh‐Lin Wang,Bing–Joe Hwang,Chia Chun Chen,Hongjie Dai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (4): 1587-1592 被引量:784
标识
DOI:10.1021/ja511572q
摘要

Hydrogen evolution reaction (HER) from water through electrocatalysis using cost-effective materials to replace precious Pt catalysts holds great promise for clean energy technologies. In this work we developed a highly active and stable catalyst containing Co doped earth abundant iron pyrite FeS(2) nanosheets hybridized with carbon nanotubes (Fe(1-x)CoxS(2)/CNT hybrid catalysts) for HER in acidic solutions. The pyrite phase of Fe(1-x)CoxS(2)/CNT was characterized by powder X-ray diffraction and absorption spectroscopy. Electrochemical measurements showed a low overpotential of ∼0.12 V at 20 mA/cm(2), small Tafel slope of ∼46 mV/decade, and long-term durability over 40 h of HER operation using bulk quantities of Fe(0.9)Co(0.1)S(2)/CNT hybrid catalysts at high loadings (∼7 mg/cm(2)). Density functional theory calculation revealed that the origin of high catalytic activity stemmed from a large reduction of the kinetic energy barrier of H atom adsorption on FeS(2) surface upon Co doping in the iron pyrite structure. It is also found that the high HER catalytic activity of Fe(0.9)Co(0.1)S(2) hinges on the hybridization with CNTs to impart strong heteroatomic interactions between CNT and Fe(0.9)Co(0.1)S(2). This work produces the most active HER catalyst based on iron pyrite, suggesting a scalable, low cost, and highly efficient catalyst for hydrogen generation.
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