Multi-interface collaboration of graphene cross-linked NiS-NiS2-Ni3S4 polymorph foam towards robust hydrogen evolution in alkaline electrolyte

过电位 石墨烯 催化作用 化学工程 硫化镍 吸附 电催化剂 材料科学 电解质 化学 无机化学 电化学 纳米技术 电极 物理化学 有机化学 冶金 工程类
作者
Haiqing Wang,Wenjing Zhang,Xiaowei Zhang,Shu‐Xian Hu,Zhicheng Zhang,Weijia Zhou,Hong Liu
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (12): 4857-4864 被引量:78
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3445-5
摘要

Electrocatalytic hydrogen production in alkaline media is extensively adopted in industry. Unfortunately, further performance improvement is severely impeded by the retarded kinetics, which requires the fine regulation of water dissociation, hydrogen recombination, and hydroxyl desorption. Herein, we develop a multi-interface engineering strategy to make an elaborate balance for the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) kinetics. The graphene cross-linked three-phase nickel sulfide (NiS-NiS2-Ni3S4) polymorph foam (G-NNNF) was constructed through hydrothermal sulfidation of graphene wrapped nickel foam as a three-dimensional (3D) scaffold template. The G-NNNF exhibits superior catalytic activity toward HER in alkaline electrolyte, which only requires an overpotential of 68 mV to drive 10 mA·cm−2 and is better than most of the recently reported metal sulfides catalysts. Density functional theory (DFT) calculations verify the interfaces between nickel sulfides (NiS/NiS2/Ni3S4) and cross-linked graphene can endow the electrocatalyst with preferable hydrogen adsorption as well as metallic nature. In addition, the electron transfer from Ni3S4/NiS2 to NiS results in the electron accumulation on NiS and the hole accumulation on Ni3S4/NiS2, respectively. The electron accumulation on NiS favors the optimization of the H* adsorption, whereas the hole accumulation on Ni3S4 is beneficial for the adsorption of H2O. The work about multi-interface collaboration pushes forward the frontier of excellent polymorph catalysts design.
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