N-Doped FeP4 Nanoparticles on Carbon Cloth as Catalysts for Electrolytic Hydrogen Evolution

催化作用 碳纤维 电解质 纳米颗粒 材料科学 兴奋剂 无机化学 化学工程 化学 纳米技术 有机化学 物理化学 复合材料 工程类 电极 复合数 光电子学
作者
Fangyou Meng,Jiaqi Zhu,Kaiyi Shi,Xue Wang,Junhong Zhou,Shuangzhu Jia,Yuan Yu
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (8): 8756-8764 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c00212
摘要

Theoretically, the stronger electronegativity of N compared to that of P suggests that N-doped FeP4 could reduce the adsorption energy of hydrogen, potentially enhancing the kinetics of the hydrogen evolution reaction (HER) and improving its electrochemical characteristics. Experimentally, a three-dimensional (3D) porous dodecahedron N-doped FeP4 nanoparticle array catalyst developed on carbon cloth (CC) was investigated. The synthesized N-doped FeP4/CC nanoparticle electrocatalysts demonstrated satisfactory HER performance. These electrocatalysts showed a current density (J) of 10 mA/cm–2 at an overvoltage of 87 mV in a 0.5 M H2SO4 solution, indicating that the electronically modified FeP4 (N-FeP4/CC) catalyst exhibited superior HER activity. Additionally, the overpotential for the N-doped FeP4/CC nanoparticle catalyst was 347 mV for HER in simulated seawater solution (0.5 M H2SO4 + 0.5 M NaCl), demonstrating the exceptional catalytic activity of the N-doped FeP4/CC nanoparticle catalyst. Density functional theory (DFT) calculations showed that N doping could synergistically improve the Gibbs free energy of hydrogen adsorption (ΔGH*) of FeP4 (−0.29 eV), which was lower than that of undoped FeP4 (0.41 eV). This supports the theoretical proposition that modifying the electronic structure can enhance the electrolysis hydrodynamics and catalytic performance, aligning with experimental findings. This study may provide a strategy for optimizing the electronic structure of seawater splitting.
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