Three-dimensional Ni3Se4 flowers integrated with ultrathin carbon layer with strong electronic interactions for boosting oxygen reduction/evolution reactions

过电位 析氧 双功能 过渡金属 催化作用 密度泛函理论 化学工程 材料科学 纳米技术 电化学 化学 氧还原 电极 物理化学 计算化学 有机化学 工程类
作者
Rongyue Wang,Bin Liu,Shijie You,Yao Li,Ying Zhang,Di Wang,Bo Tang,Yubo Sun,Jinlong Zou
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:430: 132720-132720 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.132720
摘要

Transition metal selenides have shown unexpectedly-high activity for oxygen reduction and oxygen evolution reactions (ORR/OER) in alkaline media. However, many fundamental issues regarding the effects of catalyst structure on ORR/OER activities with enhanced stability still remain unknown. Here we prepare three-dimensional (3D) flower-like Ni3Se4 coated by ultrathin carbon-layer (Ni3Se4/UCL) as bifunctional catalyst. Distribution (mapping) of C and N elements confirms the firm combination of Ni3Se4 with UCL to form flower petals with convex-concave surface. Ni3Se4/UCL-3 (mass ratio of NiCl2·6H2O/carbon is 3) exhibits an excellent half-wave potential of 0.82 V (E1/2, ORR) and a promising overpotential of 0.35 V at 10 mA cm−2 (OER). Ni3Se4/UCL-3 has a negative shift of only 12 mV for E1/2 after 5000 cycles (ORR) and a current density decline of only 7.34 % after 20 h test (OER). Density functional theory calculations reveal that interfacial charge redistribution behaviors including charge accumulation and depletion lead to strong electronic interactions between Ni3Se4 (0 0 2) and UCL to obtain efficient charge transfer for ORR/OER. β-NiOOH is mainly responsible for the high OER activity, and in-situ X-ray diffraction tests verify the crystallization of selenite (NiSeO3) during OER. This work provides a promising reference for promoting future development of 3D-structured transition metal selenides-based electrocatalysts.
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