V-doped Ni3N/Ni heterostructure with engineered interfaces as a bifunctional hydrogen electrocatalyst in alkaline solution: Simultaneously improving water dissociation and hydrogen adsorption

过电位 电催化剂 催化作用 氢氧化物 离解(化学) 吸附 化学工程 分解水 双功能 材料科学 解吸 无机化学 析氧 化学 电极 物理化学 电化学 有机化学 工程类 光催化
作者
Huan Zhang,Juan Wang,Fengqi Qin,Huiling Liu,Cheng Wang
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:14 (10): 3489-3496 被引量:43
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3559-9
摘要

Alkali-water electrolyzers and hydroxide exchange membrane fuel cells are emerging as promising technologies to realize hydrogen economy. Developing cost-effective electrode materials with high activities towards corresponding hydrogen evolution (HER) and oxidation (HOR) reactions plays a crucial role in commercial hydrogen production and utilization. Herein, we fabricated a V-doped Ni3N/Ni heterostructure (V-Ni3N/Ni) through a controlled nitridation treatment on a V-incorporated nickel hydroxide precursor. The resultant catalyst exhibits comparable catalytic activity and durability to commercial Pt/C in terms of both HER (a low overpotential of 44 mV at the current density of 10 mA·cm−2) and HOR (a high current density of 1.54 mA·cm−2 at 0.1 V versus reversible hydrogen electrode) under alkaline conditions. The superior activity of V-Ni3N/Ni grown on different substrates further implies its intrinsic performance. Density functional theory (DFT) calculations reveal that the coupled metallic Ni and doped V can promote the water adsorption, accelerate the Volmer step of alkaline HER, as well as optimize the adsorption and desorption of hydrogen intermediate (H*) to reach a balanced ΔGH* value.
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