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Dual roles of sub-nanometer NiO in alkaline hydrogen evolution reaction: breaking the Volmer limitation and optimizing d-orbital electronic configuration

纳米团簇 过电位 塔菲尔方程 材料科学 非阻塞I/O 纳米技术 化学工程 物理化学 化学 催化作用 电化学 电极 工程类 有机化学
作者
Fang Guo,Zeyi Zhang,Runzhe Chen,Yangyang Tan,Wei Wu,Zichen Wang,Tang Zeng,Wangbin Zhu,Caoxin Lin,Niancai Cheng
出处
期刊:Materials horizons [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (8): 2913-2920 被引量:15
标识
DOI:10.1039/d3mh00416c
摘要

Pt-based nanoclusters toward the hydrogen evolution reaction (HER) remain the most promising electrocatalysts. However, the sluggish alkaline Volmer-step kinetics and the high-cost have hampered progress in developing high-performance HER catalysts. Herein, we propose to construct sub-nanometer NiO to tune the d-orbital electronic structure of nanocluster-level Pt for breaking the Volmer-step limitation and reducing the Pt-loading. Theoretical simulations firstly suggest that electron transfer from NiO to Pt nanoclusters could downshift the Ed-band of Pt and result in the well-optimized adsorption/desorption strength of the hydrogen intermediate (H*), therefore accelerating the hydrogen generation rate. NiO and Pt nanoclusters confined into the inherent pores of N-doped carbon derived from ZIF-8 (Pt/NiO/NPC) were designed to realize the structure of computational prediction and boost the alkaline hydrogen evolution. The optimal 1.5%Pt/NiO/NPC exhibited an excellent HER performance and stability with a low Tafel slope (only 22.5 mv dec-1) and an overpotential of 25.2 mV at 10 mA cm-2. Importantly, the 1.5%Pt/NiO/NPC possesses a mass activity of 17.37 A mg-1 at the overpotential of 20 mV, over 54 times higher than the benchmark 20 wt% Pt/C. Furthermore, DFT calculations illustrate that the Volmer-step could be accelerated owing to the high OH- attraction of NiO nanoclusters, leading to the Pt nanoclusters exhibiting a balance of H* adsorption and desorption (ΔGH* = -0.082 eV). Our findings provide new insights into breaking the water dissociation limit of Pt-based catalysts by coupling with a metal oxide.
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