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

过电位 双功能 分解水 电催化剂 材料科学 电解质 化学工程 密度泛函理论 纳米花 化学 纳米技术 无机化学 催化作用 电极 物理化学 纳米结构 电化学 计算化学 有机化学 工程类 光催化
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]
卷期号:671: 15-33 被引量:13
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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