Trace nitrogen-incorporation stimulates dual active sites of nickel catalysts for efficient hydrogen oxidation electrocatalysis

催化作用 化学 氮气 跟踪(心理语言学) 电催化剂 无机化学 对偶(语法数字) 有机化学 电化学 电极 物理化学 艺术 语言学 哲学 文学类
作者
Xiaoning Wang,Yanfu Tong,Xuejin Li,Lianming Zhao,Yongpeng Cui,Yesheng Wang,Haoyu Hu,Tonghui Cai,Mingbo Wu,Han Hu,Qingzhong Xue,Zifeng Yan,Wei Xing
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:445: 136700-136700 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.136700
摘要

• Trace nitrogen atoms are successfully inserted into the surface of Ni metal. • Trace nitrogen-incorporation can greatly activate monometallic Ni catalysts. • Apparent charge redistribution of Ni occurs at micro-heterogeneous interfaces. • It shifts the d-band center of Ni atoms for favorable adsorption kinetics. • The synergistic dual-active sites enhance HOR performance. The insufficient activity of Ni-based catalysts toward hydrogen oxidation reaction (HOR) severely hinders their deployment in alkaline polymer electrolyte fuel cells. Here, we demonstrate that trace nitrogen-incorporation can greatly activate monometallic Ni catalysts by constructing synergetic dual active sites across micro-heterogeneous interfaces, resulting in impressive HOR electrocatalytic performance that rivals that of state-of-the-art Pt/C catalysts in alkaline media. The obtained catalyst achieves a high specific activity of 0.074 mA cm −2 , a high mass activity of 60.9 A g −1 , and outperforms both Ni 3 N and Ni analogues, uncovering an unexpected nitrogen-incorporation criterion for Ni electrocatalysts. Moreover, it also exhibits a remarkable CO tolerance capacity that Pt/C lacks. Mechanistic studies reveal that self-regulated d-band centers of Ni (downshift) in Ni-N bonding and Ni (upshift) in Ni-Ni bonding derived from apparent charge redistribution can weaken hydrogen binding energy and increase hydroxyl binding energy simultaneously, resulting in the HOR enhancement.
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