Interface Engineering on Amorphous/Crystalline Hydroxides/Sulfides Heterostructure Nanoarrays for Enhanced Solar Water Splitting

分解水 材料科学 析氧 可逆氢电极 异质结 电解水 纳米技术 电解 化学工程 催化作用 无机化学 电极 电解质 光电子学 化学 电化学 工作电极 光催化 物理化学 生物化学 工程类
作者
Hua Zhang,Yingtang Zhou,Ming Xu,Anran Chen,Zitao Ni,Ouardia Akdim,Thomas Wågberg,Xiaoyang Huang,Guangzhi Hu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (1): 636-647 被引量:85
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c09880
摘要

Developing highly efficient and stable noble-metal-free electrocatalysts for water splitting is critical for producing clean and sustainable energy. Here, we design a hierarchical transition metal hydroxide/sulfide (NiFe(OH)x-Ni3S2/NF) electrode with dual heterointerface coexistence using a cation exchange-induced surface reconfiguration strategy. The electrode exhibits superior electrocatalytic activities, achieving low overpotentials of 55 mV for hydrogen evolution and 182 mV for oxygen evolution at 10 mA cm-2. Furthermore, the assembled two-electrode system requires voltages as low as 1.55 and 1.62 V to deliver industrially relevant current densities of 500 and 1000 mA cm-2, respectively, with excellent durability for over 200 h, which is comparable to commercial electrolysis. Theoretical calculations reveal that the hierarchical heterostructure increases the electronic delocalization of the Fe and Ni catalytic centers, lowering the energy barrier of the rate-limiting step and promoting O2 desorption. Finally, by implementing the catalysts in a solar-driven water electrolysis system, we demonstrate a record and durable solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiency of up to 20.05%. This work provides a promising strategy for developing low-cost and high-efficiency bifunctional catalysts for a large-scale solar-to-hydrogen generation.
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