Interface Engineering and Heteroatom Doping Trigger Multisite Synergism in V-Incorporated MoP/Cu3P to Accelerate Alkaline Hydrogen Evolution

杂原子 接口(物质) 兴奋剂 化学 材料科学 无机化学 纳米技术 化学工程 有机化学 分子 工程类 光电子学 戒指(化学) 吉布斯等温线
作者
Xueting Li,Guimin Wang,Chunmei Lv,Xiuwen Wang,Yue Liu,Haijing Yan,Zilin Zhang,Yanqing Jiao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (31): 12345-12357 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c02007
摘要

Efficient non-Pt electrocatalysts for the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) are necessary for industrial water electrolysis. Cu-based materials are cheaper alternatives, but their performances are far from satisfactory due to slow water dissociation kinetics and weak Gibbs free energy of hydrogen adsorption (ΔGH*). Herein, we propose to construct multiple sites with different activation functions in response to sluggish alkaline HER kinetics. A multi-interfacial, ultrasmall V-doped MoP and Cu3P heterostructure (V-MoP/Cu3P) was successfully fabricated by confined conversion of a V–Mo bimetallic polyoxometalate (POM) cluster embedded in a Cu-based metal–organic framework (MOF). The spatial separation of each POM cluster by the MOF and the inherent structure of each [VO6] connecting four [MoO6] octahedrons enable precise V incorporation in the MoP lattice and multi-interface coupling of the MoP and Cu3P heterojunction. As a result, the interfacial charge redistribution occurs and the d-band centers are finely tuned, triggering a multisite synergism to encourage the adsorption and activation of H2O, H–OH* bond breaking, and H2 release. Consequently, V-MoP/Cu3P exhibits significantly enhanced HER activity, even superior to the commercial 20% Pt/C catalyst at current densities exceeding 155 mA cm–2, which indicates the feasibility of the V-MoP/Cu3P catalyst as cheaper alternatives to Pt-based catalysts in industrial applications. This work provides new insight for the design of low-cost, high-abundance HER catalysts via multi-interface engineering and heteroatom doping to trigger multisite synergies.
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