Colloidal Ni2P Nanocrystals Encapsulated in Heteroatom-Doped Graphene Nanosheets: A Synergy of 0D@2D Heterostructure Toward Overall Water Splitting

材料科学 分解水 析氧 化学工程 石墨烯 异质结 纳米晶 纳米技术 双功能 催化作用 电极 光催化 化学 物理化学 电化学 光电子学 工程类 生物化学
作者
Umesh P. Suryawanshi,Uma V. Ghorpade,Dong Min Lee,Mingrui He,Seung Wook Shin,Priyank V. Kumar,Jun Sung Jang,Hyo Rim Jung,Mahesh P. Suryawanshi,Jin Hyeok Kim
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (1): 234-245 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.0c03543
摘要

Transition-metal phosphide (TMP) nanostructures have been extensively studied for hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). However, phase-controlled synthesis of colloidal Ni2P nanocrystals (NCs) or related heterostructures remains challenging and their use as bifunctional electrocatalysts in overall water splitting (OWS) is not systematically studied. Herein, zero-dimensional (0D) colloidal Ni2P NCs are synthesized using a robust solution-phase method and encapsulated in two-dimensional (2D) N- and S-doped graphene (NSG) nanosheets via facile ex situ sonication to form a 0D@2D Ni2P@NSG heterostructure. The interaction between surface functionalities of Ni2P NCs and defective NSG via strong van der Waals force provides a robust sheath to Ni2P NCs when encapsulated in NSG nanosheets, further enhancing the specific surface area and active site exposure. Density functional theory calculations indicate that the dual interaction of N and S dopants with Ni2P benefits the synergistic effect of optimized water and hydrogen free energy adsorption. As a result, Ni2P@NSG electrocatalysts manifest high catalytic activity toward HER and OER, and a two-electrode alkaline electrolyzer assembled by Ni2P@NSG as both an anode and a cathode requires only 1.572 V to reach a current density of 10 mA/cm2.

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