“Lewis Base-Hungry” Amorphous–Crystalline Nickel Borate–Nickel Sulfide Heterostructures by In Situ Structural Engineering as Effective Bifunctional Electrocatalysts toward Overall Water Splitting

分解水 材料科学 硫化镍 无定形固体 化学工程 双功能 无机化学 原位 硫化物 催化作用 化学 冶金 有机化学 光催化 工程类
作者
Zemin Sun,Xiaorui Wang,Mengwei Yuan,Yang Han,Yuhe Su,Kefan Shi,Caiyun Nan,Huifeng Li,Genban Sun,Jia Zhu,Xiaojing Yang,Shaowei Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (21): 23896-23903 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acsami.0c03796
摘要

The development of high-performance, low-cost, and long-lasting electrocatalysts for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) is urgently needed for effective electrochemical water splitting. In the present study, an engineering process was employed to prepare "Lewis base-hungry" amorphous-crystalline nickel borate-nickel sulfide (Ni3(BO3)2-Ni3S2) heterostructures, which exhibited unprecedentedly high electrocatalytic activity toward both OER and HER in alkaline media. The optimal Ni3(BO3)2-Ni3S2/nickel foam (Ni3(BO3)2-Ni3S2/NF) electrode displayed an ultralow overpotential of only -92 and +217 mV to reach the current density of 10 mA cm-2 for HER and OER, respectively. When the Ni3(BO3)2-Ni3S2/NF electrode was used as both the anode and cathode for overall water splitting, a low cell voltage of 1.49 V was needed to achieve the current density of 10 mA cm-2, which was superior to the performance of most noble metal-free electrocatalysts. Results from density functional theory calculations showed that the Lewis base-hungry sites in the heterostructures effectively enhanced the chemisorption of hydrogen and oxygen intermediates, a critical step in HER and OER electrocatalysis. Results from this study highlight the significance of rational design and engineering of heterostructured materials for the development of high-efficiency electrocatalysts.
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