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Metallic W/WO2 solid-acid catalyst boosts hydrogen evolution reaction in alkaline electrolyte

塔菲尔方程 过电位 催化作用 电解质 制氢 贵金属 分解水 无机化学 化学 交换电流密度 材料科学 物理化学 电化学 电极 光催化 有机化学
作者
Zhigang Chen,Wenbin Gong,Juan Wang,Shuang Hou,Guang Yang,Changfeng Zhu,Xiyue Fan,Yifan Li,Rui Gao,Yi Cui
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:148
标识
DOI:10.1038/s41467-023-41097-w
摘要

The lack of available protons severely lowers the activity of alkaline hydrogen evolution reaction process than that in acids, which can be efficiently accelerated by tuning the coverage and chemical environment of protons on catalyst surface. However, the cycling of active sites by proton transfer is largely dependent on the utilization of noble metal catalysts because of the appealing electronic interaction between noble metal atoms and protons. Herein, an all-non-noble W/WO2 metallic heterostructure serving as an efficient solid-acid catalyst exhibits remarkable hydrogen evolution reaction performance with an ultra-low overpotential of -35 mV at -10 mA/cm2 and a small Tafel slope (-34 mV/dec), as well as long-term durability of hydrogen production (>50 h) at current densities of -10 and -50 mA/cm2 in alkaline electrolyte. Multiple in situ and ex situ spectroscopy characterizations combining with first-principle density functional theory calculations discover that a dynamic proton-concentrated surface can be constructed on W/WO2 solid-acid catalyst under ultra-low overpotentials, which enables W/WO2 catalyzing alkaline hydrogen production to follow a kinetically fast Volmer-Tafel pathway with two neighboring protons recombining into a hydrogen molecule. Our strategy of solid-acid catalyst and utilization of multiple spectroscopy characterizations may provide an interesting route for designing advanced all-non-noble catalytic system towards boosting hydrogen evolution reaction performance in alkaline electrolyte.
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