Constructing CoNi-LDH/Fe MOF/NF Heterostructure Catalyst for Energy-Efficient OER and UOR at High Current Density

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作者
Qing-Nan Bian,Ben-Shuai Guo,Dongxing Tan,Dan Zhang,Weiqing Kong,Chong‐Bin Wang,Yuanyuan Feng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 14742-14749 被引量:111
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17627
摘要

The sluggish kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) always results in a high overpotential at the anode of water electrolysis and an excessive electric energy consumption, which has been a major obstacle for hydrogen production through water electrolysis. In this study, we present a CoNi-LDH/Fe MOF/NF heterostructure catalyst with nanoneedle array morphology for the OER. In 1.0 M KOH solution, the heterostructure catalyst only required overpotentials of 275 and 305 mV to achieve high current densities of 500 and 1000 mA/cm 2 for OER, respectively. The catalytic activities are much higher than those of the reference single-component CoNi-LDH/NF and Fe MOF/NF catalysts. The improved catalytic performance of the heterostructure catalyst can be ascribed to the synergistic effect of CoNi-LDH and Fe MOF. In particular, when the anodic OER is replaced with the urea oxidation reaction (UOR), which has a relatively lower thermodynamic equilibrium potential and is expected to reduce the cell voltage, the overpotentials required to achieve the same current densities can be reduced by 80 and 40 mV, respectively. The cell voltage required to drive overall urea splitting (OUS) is only 1.55 V at 100 mA/cm 2 in the Pt/C/NF||CoNi-LDH/Fe MOF/NF two-electrode electrolytic cell. This value is 60 mV lower compared with that required for overall water splitting (OWS). Our results indicate that a reasonable construction of a heterostructure catalyst can significantly give rise to higher electrocatalytic performance, and using UOR to replace the anodic OER of the OWS can greatly reduce the electrolytic energy consumption.
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