Sequential reactant water management by complementary multisite catalysts for surpassing platinum hydrogen evolution activity

催化作用 分子 化学 单独一对 电泳剂 光化学 电化学 氢 拉曼光谱 介电谱 铂金 电解质 无机化学 纳米技术 材料科学 物理化学 有机化学 物理 光学 电极
作者
Yu Lin,Defang Ding,Shicheng Zhu,Qunlei Wen,Huangjingwei Li,Zhen Li,Youwen Liu,Yi Shen
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:17 (3): 1232-1241 被引量:8
标识
DOI:10.1007/s12274-023-6011-5
摘要

Alkaline hydrogen evolution reaction (HER) offers a near-zero-emission approach to advance hydrogen energy. However, the activity limited by the multiple reaction steps involving H2O molecules transfer, absorption, and activation still unqualified the thresholds of economic viability. Herein, we proposed a multisite complementary strategy that incorporates hydrophilic Mo and electrophilic V into Ni-based catalysts to divide the distinct steps on atomically dispersive sites and thus realize sequential regulation of the HER process. The Isotopic labeled in situ Raman spectroscopy describes 4-coordinated hydrogen bonded H2O to be free H2O passing the inner Helmholtz plane in the vicinity of the catalysts under the action of hydrophilic Mo sites. Furthermore, potential-dependent electrochemical impedance spectroscopy (EIS) reveals that electrophilic V sites with abundant 3d empty orbitals could activate the lone-pair electrons in the free H2O molecules to produce more protic hydrogen, and dimerize into H2 at the Ni sites. By the sequential management of reactive H2O molecules, NiMoV oxides multisite catalysts surpass Pt/C hydrogen evolution activity (49 mV@10 mA·cm−2 over 140 h). Profoundly, this study provides a tangible model to deepen the comprehension of the catalyst–electrolyte interface and create efficient catalysts for diverse reactions.
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