Phosphorus-doped Fe7S8@C nanowires for efficient electrochemical hydrogen and oxygen evolutions: Controlled synthesis and electronic modulation on active sites

过电位 材料科学 纳米线 析氧 电化学 催化作用 兴奋剂 化学工程 纳米技术 无机化学 物理化学 光电子学 电极 化学 有机化学 工程类
作者
Thanh‐Tung Le,Xiao Liu,Peijun Xin,Qing Wang,Chunyan Gao,Ye Wu,Yong Jiang,Zhangjun Hu,Shoushuang Huang,Zhiwen Chen
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier]
卷期号:74: 168-175 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2020.08.060
摘要

Developing low-cost, efficient, and stable non-precious-metal electrocatalysts with controlled crystal structure, morphology and compositions are highly desirable for hydrogen and oxygen evolution reactions. Herein, a series of phosphorus-doped Fe7S8 nanowires integrated within carbon (P-Fe7S8@C) are rationally synthesized via a one-step phosphorization of one-dimensional (1D) Fe-based organic-inorganic nanowires. The as-obtained P-Fe7S8@C catalysts with modified electronic configurations present typical porous structure, providing plentiful active sites for rapid reaction kinetics. Density functional calculations demonstrate that the doping Fe7S8 with P can effectively enhance the electron density of Fe7S8 around the Fermi level and weaken the Fe-H bonding, leading to the decrease of adsorption free energy barrier on active sites. As a result, the optimal catalyst of P-Fe7S8[email protected] exhibits a relatively low overpotential of 136 mV for hydrogen evolution reaction (HER) to reach the current density of 10 mA/cm2, and a significantly low overpotential of 210 mV for oxygen evolution reaction (OER) at 20 mA/cm2 in alkaline media. The work presented here may pave the way to design and synthesis of other prominent Fe-based catalysts for water splitting via electronic regulation.
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