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?川大/山大Adv. Sci.:結晶/非晶界面起大作用,加速FeCo(NiS2)4-C/A的水電解動力學

本文通過陽離子交換策略構建了具有豐富CAI和優異的水電解催化性能的FeCo(NiS2)4-C/A。

探索用于水電解的高活性催化劑(析氫和析氧反應)對于高純度氫和氧的可持續生產至關重要。非晶化和晶界工程能夠用于改善水電解的催化動力學。然而,結晶/非晶界面(CAI)的協同效應很少被深入地研究。
基于此,川大學羅奎山東大學吳昊等通過陽離子交換策略構建了具有豐富CAI和優異的水電解催化性能的FeCo(NiS2)4-C/A。
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Fe離子的摻入不僅導致豐富的表面缺陷、活性位點的暴露和更高密度的CAI的非晶/晶體異質性,而且改變了FeCo(NiS2)4-C/A的形貌(具有多孔結構的空心納米管),有利于水分解過程中的離子交換和電荷轉移。
密度泛函理論(DFT)研究表明,CAI在加速水電解動力學中起著重要作用,其中Co原子在FeCo(NiS2)4-C/A催化劑對HER中的H原子具有0.002 eV的最佳結合能,而對于OER的關鍵步驟,它也具有1.40 eV的最低反應勢壘,同時H2O分子傾向于吸附在界面Ni原子上。
?川大/山大Adv. Sci.:結晶/非晶界面起大作用,加速FeCo(NiS2)4-C/A的水電解動力學
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因此,異質結構FeCo(NiS2)4-C/A對HER和OER均表現出低過電位、高電流密度和優異的穩定性。FeCo(NiS2)4-C/A在10 mA cm-2電流密度的OER和HER過電位分別為230 mV和82 mV,并且其在全水分解中僅需1.51 V的低電池電壓就能達到10 mA cm-2的電流密度。
基于嚴格的實驗和計算研究,CAI在雙功能FeCo(NiS2)4-C/A電催化劑中的優越性和作用得到了證明,這也解釋了為何FeCo(NiS2)4-C/A在水電解中具有優異動力學。該項工作指出了電催化劑CAI的價值,這可能為設計用于水分解的理想電催化劑提供新思路。
Unveiling the Accelerated Water Electrolysis Kinetics of Heterostructural Iron-Cobalt-Nickel Sulfides by Probing into Crystalline/Amorphous Interfaces in Stepwise Catalytic Reactions. Advanced Science, 2022. DOI: 10.1002/advs.202201903

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