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Manipulation of Oxidation States on Phase Boundary via Surface Layer Modification for Enhanced Alkaline Hydrogen Electrocatalysis

材料科学 无定形固体 离解(化学) 电催化剂 电解 电解水 分解水 催化作用 解吸 碱性水电解 化学工程 无机化学 析氧 吸附 异质结 物理化学 电化学 电解质 光催化 电极 化学 结晶学 生物化学 工程类 光电子学
作者
Huawei Huang,Liangliang Xu,Shouwei Zuo,Song Lu,Chen Zou,Max García‐Melchor,Yang Li,Yuafu Ren,Magnus Rueping,Huabin Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (51): e2405128-e2405128 被引量:64
标识
DOI:10.1002/adma.202405128
摘要

In alkaline water electrolysis and anion exchange membrane water electrolysis technologies, the hydrogen evolution reaction (HER) at the cathode is significantly constrained by a high energy barrier during the water dissociation step. This study employs a phase engineering strategy to construct heterostructures composed of crystalline Ni4W and amorphous WOx aiming to enhance catalytic performance in the HER under alkaline conditions. This work systematically modulates the oxidation states of W within the amorphous WOx of the heterostructure to adjust the electronic states of the phase boundary, the energy barriers associated with the water dissociation step, and the adsorption/desorption properties of intermediates during the alkaline HER process. The optimized catalyst, Ni4W/WOx-2, with a quasi-metallic state of W coordinated by a low oxygen content in amorphous WOx, demonstrates exceptional catalytic performance (22 mV@10 mA cm-2), outperforming commercial Pt/C (30 mV@10 mA cm-2). Furthermore, the operando X-ray absorption spectroscopy analysis and theoretical calculations reveal that the optimized W atoms in amorphous WOx serve as active sites for water dissociation and the nearby Ni atoms in crystalline Ni4W facilitated the release of H2. These findings provide valuable insights into designing efficient heterostructured materials for energy conversion.
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