CoSe2 and NiSe2 Nanocrystals as Superior Bifunctional Catalysts for Electrochemical and Photoelectrochemical Water Splitting

分解水 双功能 材料科学 催化作用 电化学 化学工程 纳米晶 电极 纳米技术 无机化学 化学 光催化 物理化学 有机化学 工程类
作者
In Hye Kwak,Hyung Soon Im,Dong Myung Jang,Young Woon Kim,Kidong Park,Young Rok Lim,Eun Hee,Jeunghee Park
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:8 (8): 5327-5334 被引量:454
标识
DOI:10.1021/acsami.5b12093
摘要

Catalysts for oxygen evolution reactions (OER) and hydrogen evolution reactions (HER) are central to key renewable energy technologies, including fuel cells and water splitting. Despite tremendous effort, the development of low-cost electrode catalysts with high activity remains a great challenge. In this study, we report the synthesis of CoSe2 and NiSe2 nanocrystals (NCs) as excellent bifunctional catalysts for simultaneous generation of H2 and O2 in water-splitting reactions. NiSe2 NCs exhibit superior electrocatalytic efficiency in OER, with a Tafel slope (b) of 38 mV dec(-1) (in 1 M KOH), and HER, with b = 44 mV dec(-1) (in 0.5 M H2SO4). In comparison, CoSe2 NCs are less efficient for OER (b = 50 mV dec(-1)), but more efficient for HER (b = 40 mV dec(-1)). It was found that CoSe2 NCs contained more metallic metal ions than NiSe2, which could be responsible for their improved performance in HER. Robust evidence for surface oxidation suggests that the surface oxide layers are the actual active sites for OER, and that CoSe2 (or NiSe2) under the surface act as good conductive layers. The higher catalytic activity of NiSe2 is attributed to their oxide layers being more active than those of CoSe2. Furthermore, we fabricated a Si-based photoanode by depositing NiSe2 NCs onto an n-type Si nanowire array, which showed efficient photoelectrochemical water oxidation with a low onset potential (0.7 V versus reversible hydrogen electrode) and high durability. The remarkable catalytic activity, low cost, and scalability of NiSe2 make it a promising candidate for practical water-splitting solar cells.
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