Tailoring interfacial electron redistribution of Ni/Fe3O4 electrocatalysts for superior overall water splitting

过电位 双功能 催化作用 分解水 再分配(选举) 析氧 吸附 离解(化学) 材料科学 化学工程 无机化学 化学 物理化学 电化学 电极 法学 工程类 政治 光催化 生物化学 政治学
作者
Wenli Xu,Wenda Zhong,Chenfan Yang,Rong Zhao,Jing Wu,Xuanke Li,Nianjun Yang
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:73: 330-338 被引量:71
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.06.042
摘要

The electron redistribution of the Ni/Fe 3 O 4 /IF catalyst significantly optimizes the electronic structure and thus improves the adsorption behavior. Compared with Pt/C/IF||IrO 2 /IF, the Ni/Fe 3 O 4 /IF||Ni/Fe 3 O 4 /IF demonstrates a lower cell voltage for overall water splitting. Exploring highly active earth-abundant bifunctional electrocatalysts for water splitting at a high output is essential for the forthcoming hydrogen economy. Non-noble Fe 3 O 4 catalyst owns outstanding conductivity and its octahedral Fe sites can markedly promote water dissociation. However, it lacks active centers on the surface, resulting in its poor activity when used as a catalyst for hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). Herein, an electron redistribution strategy is proposed by introducing Ni sites onto the surface of Fe 3 O 4 (Ni/Fe 3 O 4 ). The abundant delocalized electrons, derived from the electronic interaction of Ni and Fe 3 O 4 species, significantly optimize the electronic structure of the Ni/Fe 3 O 4 catalyst, leading to its improved adsorption behavior. This Ni/Fe 3 O 4 catalyst exhibits remarkable bifunctional activity, steadily outputting 1000 mA cm −2 at the low overpotential of 387 mV for HER and 338 mV for OER, respectively. Using Ni/Fe 3 O 4 as a bifunctional catalyst for overall water splitting reaction exhibits the optimal performance with outstanding stability, obtaining a current density of 1000 mA cm −2 at 1.98 V, much superior to a Pt/C||IrO 2 cell. Experimental analysis and theoretical calculations collectively corroborate that the electron redistribution of Fe 3 O 4 is activated by coupling Ni species, leading to the promoted HER and OER kinetics. This electron redistribution strategy provides an effective method to activate transition metal-based catalysts which are promising to be utilized as superior electrocatalysts for the industrial overall water splitting reaction.
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