In Operando X-ray Spectroscopic and DFT Studies Revealing Improved H2 Evolution by the Synergistic Ni–Co Electron Effect in the Alkaline Condition

材料科学 电子 密度泛函理论 物理化学 纳米技术 无机化学 计算化学 化学 物理 量子力学
作者
Lian‐Ming Lyu,Han‐Jung Li,Ren-Shiang Tsai,Ching-Feng Chen,Yu-Chung Chang,Yu‐Chun Chuang,Kwang‐Hwa Lii,Jeng‐Lung Chen,Te‐Wei Chiu,Chun‐Hong Kuo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (21): 27329-27338 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.4c02613
摘要

The different electrolyte conditions, e.g., pH value, for driving efficient HER and OER are one of the major issues hindering the aim for electrocatalytic water splitting in a high efficiency. In this regard, seeking durable and active HER electrocatalysts to align the alkaline conditions of the OER is a promising solution. However, the success in this strategy will depend on a fundamental understanding about the HER mechanism at the atomic scale. In this work, we have provided thorough understanding for the electrochemical HER mechanisms in KOH over Ni- and Co-based hollow pyrite microspheres by in operando X-ray spectroscopies and DFT calculations, including NiS2, CoS2, and Ni0.5Co0.5S2. We discovered that the Ni sites in hollow NiS2 microspheres were very stable and inert, while the Co sites in hollow CoS2 microspheres underwent reduction and generated Co metallic crystal domains under HER. The generation of Co metallic sites would further deactivate H2 evolution due to the large hydrogen desorption free energy (-1.73 eV). In contrast, the neighboring Ni and Co sites in hollow Ni0.5Co0.5S2 microspheres exhibited the electronic interaction to elevate the reactivity of Ni and facilitate the stability of Co without structure or surface degradation. The energy barrier in H2O adsorption/dissociation was only 0.73 eV, followed by 0.06 eV for hydrogen desorption over the Ni0.5Co0.5S2 surface, revealing Ni0.5Co0.5S2 as a HER electrocatalyst with higher durability and activity than NiS2 and CoS2 in the alkaline medium due to the synergy of neighboring Ni and Co sites. We believe that the findings in our work offer a guidance toward future catalyst design.
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