Charge Self-Regulation at the Interface Engineering of the Metallic Heterostructure NiCoP@Co3S4 for Efficient Alkaline Overall Water Splitting

材料科学 异质结 金属 分解水 电荷(物理) 接口(物质) 光电子学 工程物理 光催化 复合材料 冶金 量子力学 生物化学 物理 工程类 催化作用 化学 毛细管作用 毛细管数
作者
Huanhui He,Dejian Zhu,Cong Huang,Ge Chang,Qian Yang,Minghao Ran,Aiping Hu,Xiaohua Chen,Qunli Tang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c01834
摘要

Developing heterostructures with high electrical conductivity and appropriate adsorption strength for oxygen intermediates is a crucial strategy to reduce the energy consumption of overall water splitting (OWS) and enhance the economic viability of hydrogen energy. This article proposes a novel metallic heterostructure (NiCoP@Co3S4) that is in situ grown on nickel foam. The composite of NiCoP and Co3S4 not only promotes effective charge transfer in the heterojunction and accelerates the kinetics of the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) but also optimizes the electronic structure of the catalyst through interface engineering. Density functional theory (DFT) calculations demonstrate that the formation of the heterostructure significantly increases the density of electronic states near the Fermi level (EF), thereby enhancing conductivity. Moreover, the d-band center of NiCoP@Co3S4 shifts closer to EF, which enhances the binding strength of reaction intermediates to the catalyst's active sites. This shift lowers the reaction activation energy and thus promotes the catalytic process. Experimental results show that the NiCoP@Co3S4 heterostructure exhibits excellent performance in both HER (η10 = 62 mV) and OER (η10 = 203 mV). An electrolyzer composed of NiCoP@Co3S4 electrodes requires only a potential of 1.48 V to achieve a current density of 10 mA cm-2. Additionally, it demonstrates good stability over 100 h of testing, outperforming the Pt/C || RuO2 catalyst (1.51 V@10 mA cm-2). This work provides an effective approach to achieving efficient water splitting for hydrogen production at low overpotentials through the self-regulation of charge in heterostructures, offering new insights for the design of efficient non-noble metal-based electrocatalysts.
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