Assembling amorphous (Fe-Ni)Co -OH/Ni3S2 nanohybrids with S-vacancy and interfacial effects as an ultra-highly efficient electrocatalyst: Inner investigation of mechanism for alkaline water-to-hydrogen/oxygen conversion

电催化剂 过电位 材料科学 无定形固体 化学工程 催化作用 双功能 析氧 镍 分解水 化学 电化学 物理化学 电极 结晶学 冶金 有机化学 工程类 光催化
作者
Qijun Che,Qing Li,Xinhong Chen,Ya Tan,Xi Xu
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:263: 118338-118338 被引量:106
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2019.118338
摘要

Rational design of earth-abundant electrocatalysts with ultra-high activity and durability for the electrochemical water-to-energy conversion systems is still a significant challenge. Herein, a hierarchical nanocluster hybrids of trimetallic (Fe-Ni)Cox−OH nanofilms decorated amorphous Ni3S2 with S-vacancy supported on nickel foam (NF) was proposed via rapid two-step electrodeposited pathway. By effectively breaking long-range-order of Ni3S2 to form S-vacant amorphous phase, combining with the strong electronic interactions between the (Fe-Ni)Cox−OH and Ni3S2, it resulted in favorable water adsorption ability, free-energy of H* adsorption (ΔGH*), and fast mass/charge transfer for hydrogen evolution process. The (Fe-Ni)Cox−OH/Ni3S2 nanohybrids displayed ultralow overpotential of 91 and 145 mV at 100 and 1400 mA·cm−2 respectively with admirable durability for 100 h at 200 mA·cm−2 in 1 M KOH, even exceeding Pt plate. The amorphous S-vacant Ni3S2 plays a crucial role for hydrogen evolution: compared with both original and defective Ni3S2, the free energy of disordering Ni3S2 for *H−OH and H* intermediates more tend to thermodynamical neutrality according to density functional theory (DFT) calculations. For water-to-oxygen evolution (η100 = 280 mV), in situ newly formed ultrathin NiOOH nanosheets on near-surface Ni3S2 layer coupling with (Fe-Ni)Cox−OH nanofilms can be identified as intrinsic OER active species; and the host metallic Ni3S2 phase provides wonderful conductivity. Impressively, the bifunctional (Fe-Ni)Cox−OH/Ni3S2 nanohybrid represents the best electrocatalyst so far, achieving cell-voltage of 1.45 and 1.61 V at 10 and 200 mA·cm−2 respectively with super stability for 100 h.
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