Enhancing hydrogen oxidation electrocatalysis of nickel-based catalyst by simultaneous chemical anchoring and electronic structure regulation

过电位 催化作用 电催化剂 吸附 异质结 电化学 镍 电子转移 材料科学 化学工程 无机化学 化学 氢 电极 物理化学 有机化学 工程类 光电子学
作者
Xiaoning Wang,Xuejin Li,Tonghui Cai,Yongpeng Cui,Dongqing Kong,Jing Xu,Haoyu Hu,Yesheng Wang,Han Hu,Xiuli Gao,Yanpeng Li,Qingzhong Xue,Zifeng Yan,Lianming Zhao,Wei Xing
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:425: 130654-130654 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.130654
摘要

Designing electrocatalysts for hydrogen oxidation reaction (HOR) in alkaline media is crucial but challenging. Among all available electrocatalysts, Ni-based materials are recognized as the most potential precious-metal-free electrocatalysts for HOR. However, they still suffer from serious problems including low activity and poor stability. In this work, a synergistic chemical anchoring and electronic structure regulation strategy is proposed to gain both high electrocatalytic activity and stability for Ni-based HOR catalyst. N-doped graphite nanoflakes (N-GFs) support with abundant N anchoring sites can stabilize the loading of Ni-based active species, giving rise to an excellent stability of the catalyst. Meanwhile, the rationally designed heterostructure in the active Ni3N/Ni can trigger the electron transfer across the heterointerface, which optimizes the binding energy of the reaction intermediates, resulting in an accelerated the Volmer reaction. Benefited from the rational design, Ni3N/Ni/N-GFs exhibits excellent mass activity (42.7 A gNi-1 at the overpotential of 50 mV) and stability (more than 24 h continuous operation). Moreover, the Ni3N/Ni heterostructure performs better in HOR electrocatalysis than individual Ni or Ni3N. These experimental results are rationalized by the theoretical simulations, which demonstrate that the heterostructure effectively weakens the hydrogen adsorption, optimizes the hydroxyl adsorption, and decreases the water formation reaction barrier.
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