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A Fractal-Tip Cu3Ni/NiMoO4 Heterostructure for Efficient Hydrogen Evolution via an Accelerated Volmer–Tafel Mechanism

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作者
Mingzhe Li,Y Chen,Xiaofen Wang,Jiahui Zheng,Kepi Chen,Haizhen Xian,Yuzhen Lv,Wei Zhou
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (40): 35647-35657 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c11278
摘要

Achieving hydrogen evolution at industrial current densities requires optimized kinetics involving electron transfer, catalytic reactions, and mass transport. Here we report a Cu3Ni alloy and amorphous NiMoO4 heterostructure featuring a Romanesco-like fractal-tip architecture grown on a copper mesh. This cathode exhibits outstanding catalytic activity, requiring low overpotentials of 144.0 and 122.5 mV to reach 1 A cm-2 in 1 M KOH and 100 mA cm-2 in 1 M PBS, respectively, along with a Tafel slope as low as 27.2 mV dec-1 in alkaline media. It also maintains long-term durability over 3000 h at 1 A cm-2 with negligible degradation. At the Cu3Ni/NiMoO4 interface, the distinct chemical environments of Ni atoms result in hydrogen affinity in Cu3Ni and oxygen affinity in NiMoO4, promoting water dissociation (H*-*OH). Experimental results and theoretical calculations reveal that the interface lowers the energy barrier for water dissociation and increases H* coverage, shifting the reaction mechanism from the Volmer-Heyrovsky pathway to the more efficient Volmer-Tafel route. Furthermore, the fractal-tip structure boosts HER kinetics by amplifying local electric fields, concentrating protons, and accelerating bubble release. This work provides a rational design strategy for improving hydrogen evolution kinetics through combined structural and interfacial optimization.
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