The dual active sites reconstruction on gelatin in-situ derived 3D porous N-doped carbon for efficient and stable overall water splitting

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作者
Ying Wei,Wentao Ding,Xiaohong Chen,Chang Xi,Shaobo Zhou,Sheng Han,Jibo Jiang
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:671: 15-33 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.05.141
摘要

The exploration of bifunctional electrocatalysts with high activity, stability, and economy is of great significance in promoting the development of water splitting. Herein, a dual active sites heterostructure NiCoS/NC was designed to be derived in situ on 3D N-doped porous carbon (NC) using gelatin as a nitrogen and carbon source. The characterization of experiments suggests that nanoflower-like Ni2CoS4 (abbreviated as NiCoS) was randomly distributed on the NC substrate, and the sheet-like NC formed a highly open porous network structure resembling a honeycomb, which provided more accessible active sites for electrolyte ions. In addition, the special nanostructures of the catalyst materials help to promote the surface reconstruction to the real active substance NiOOH/CoOOH, and the double active sites synergistically reduce the overpotential of OER and improve its kinetics. DFT (Density-functional theory) calculations reveal the electronic coupling of NiCoS/NC in atomic orbitals, modulation of electrons by the heterointerface and N-doping, and synergistic effect of dual active sites improving the inherent catalytic activity. The NiCoS/NC composite electrocatalyst exhibited a 177 mV small OER overpotential and a 132 mV small HER overpotential with Faraday efficiencies as high as 96 % and 98 % at 10 mA cm−2 current density. In the two-electrode system, it also requires only an ultra-low voltage of 1.52 V to achieve a 10 mA cm−2 current density, and it shows excellent long-term water splitting stability. This provides a new idea for the development of transition metal-based bifunctional electrocatalysts.
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