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Built-in electric field engineering in Co2N0.67/CoP heterostructures for glycerol electrooxidation-assisted hydrogen production

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作者
Youqi Zhang,Ying Qi,Haiqing Zhou,Yan Zhang,Jingying Sun,Wenqi Ma,Jiayi Hu,Ligang Feng,Fang Yu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70731-6
摘要

Glycerol electrooxidation emerges as an electrochemically cogent paradigm to supplant the sluggish oxygen evolution reaction in water electrolysis. However, most non-precious catalysts still suffer from large electrolytic voltage and poor stability when operating at industrially relevant current densities. Here, we develop a heterostructure catalyst by immobilizing abundant cobalt phosphide (CoP) nanoparticles on conductive cobalt nitride (Co2N0.67) support, which results in the construction of a strong built-in electric field at the heterointerface. The optimal catalyst demonstrates effective bifunctional catalytic performance, yielding an industrial-level current density of 500 mA cm−2 at low potentials of −141 mV and 1.44 V for hydrogen evolution and glycerol oxidation, respectively. When integrated into a flow cell system, this catalyst maintains good stability for 260 hours at 1 A cm−2 (1.67 V) while preserving > 85% Faradaic efficiency for formate production. Both theoretical and experimental analyses substantiate that the built-in electric field drives directional electron transfer from CoP to Co2N0.67, forming an electron-deficient region at the CoP interface that enriches OH* species, and an electron-rich region at the Co2N0.67 interface, facilitating hydrogen adsorption, thereby expediting the glycerol and H* co-adsorption process. Multiple in-situ spectroscopic characterizations verify the existence of a combined direct/indirect oxidation mechanism for glycerol electrooxidation. This discovery sets the stage for low-voltage hydrogen production by hybrid water splitting using the excess electrical power whenever and wherever available. The electrochemical oxidation of glycerol is a promising strategy for sustainable clean energy, although it still faces several challenges. Here, the authors report a catalyst that can spontaneously generate a strong built-in electric field, thereby simultaneously enhancing both hydrogen evolution and glycerol oxidation reaction processes for low-voltage hydrogen production.
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