Hollow Cobalt-Based Bimetallic Sulfide Polyhedra for Efficient All-pH-Value Electrochemical and Photocatalytic Hydrogen Evolution

硫化 双金属片 化学 光催化 电化学 硫化钴 硫化物 化学工程 无机化学 电催化剂 催化作用 物理化学 电极 有机化学 工程类
作者
Zhen‐Feng Huang,Jiajia Song,Ke Li,Muhammad Tahir,Yutong Wang,Lun Pan,Li Wang,Xiangwen Zhang,Ji‐Jun Zou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (4): 1359-1365 被引量:688
标识
DOI:10.1021/jacs.5b11986
摘要

The development of highly active, universal, and stable inexpensive electrocatalysts/cocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) by morphology and structure modulations remains a great challenge. Herein, a simple self-template strategy was developed to synthesize hollow Co-based bimetallic sulfide (MxCo3-xS4, M = Zn, Ni, and Cu) polyhedra with superior HER activity and stability. Homogenous bimetallic metal-organic frameworks are transformed to hollow bimetallic sulfides by solvothermal sulfidation and thermal annealing. Electrochemical measurements and density functional theory computations show that the combination of hollow structure and homoincorporation of a second metal significantly enhances the HER activity of Co3S4. Specifically, the homogeneous doping in Co3S4 lattice optimizes the Gibbs free energy for H* adsorption and improves the electrical conductivity. Impressively, hollow Zn0.30Co2.70S4 exhibits electrocatalytic HER activity better than most of the reported nobel-metal-free electrocatalysts over a wide pH range, with overpotentials of 80, 90, and 85 mV at 10 mA cm(-2) and 129, 144, and 136 mV at 100 mA cm(-2) in 0.5 M H2SO4, 0.1 M phosphate buffer, and 1 M KOH, respectively. It also exhibits photocatalytic HER activity comparable to that of Pt cocatalyst when working with organic photosensitizer (Eosin Y) or semiconductors (TiO2 and C3N4). Furthermore, this catalyst shows excellent stability in the electrochemical and photocatalytic reactions. The strategy developed here, i.e., homogeneous doping and self-templated hollow structure, provides a way to synthesize transition metal sulfides for catalysis and energy conversion.
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