Asymmetric CoN3P1 Trifunctional Catalyst with Tailored Electronic Structures Enabling Boosted Activities and Corrosion Resistance in an Uninterrupted Seawater Splitting System

催化作用 析氧 海水 分解水 吸附 材料科学 腐蚀 化学工程 无机化学 纳米技术 物理化学 化学 电化学 有机化学 冶金 地质学 工程类 海洋学 光催化 电极
作者
Xingkun Wang,Xinkun Zhou,Cheng Li,Hanxu Yao,Canhui Zhang,Jian Zhou,Ren Xu,Lei Chu,Huanlei Wang,Meng Gu,Heqing Jiang,Minghua Huang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (34) 被引量:142
标识
DOI:10.1002/adma.202204021
摘要

Employing seawater splitting systems to generate hydrogen can be economically advantageous but still remains challenging, particularly for designing efficient and high Cl- -corrosion resistant trifunctional catalysts toward the oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER), and hydrogen evolution reaction (HER). Herein, single CoNC catalysts with well-defined symmetric CoN4 sites are selected as atomic platforms for electronic structure tailoring. Density function theory reveals that P-doping into CoNC can lead to the formation of asymmetric CoN3 P1 sites with symmetry-breaking electronic structures, enabling the affinity of strong oxygen-containing intermediates, moderate H adsorption, and weak Cl- adsorption. Thus, ORR/OER/HER activities and stability are optimized simultaneously with high Cl- -corrosion resistance. The asymmetric CoN3 P1 structure based catalyst with boosted ORR/OER/HER performance endows seawater-based Zn-air batteries (S-ZABs) with superior long-term stability over 750 h and allows seawater splitting to operate continuously for 1000 h. A self-driven seawater splitting powered by S-ZABs gives ultrahigh H2 production rates of 497 μmol h-1 . This work is the first to advance the scientific understanding of the competitive adsorption mechanism between Cl- and reaction intermediates from the perspective of electronic structure, paving the way for synthesis of efficient trifunctional catalysts with high Cl- -corrosion resistance.
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