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

材料科学 析氧 分解水 过电位 催化作用 电解 异质结 阳极 制氢 无机化学 电解水 光电子学 化学工程 电极 电解质 电化学 物理化学 生物化学 化学 工程类 光催化
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:43
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/cm2 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/cm2 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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