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Balance Effect: A Universal Strategy for Transition Metal Carbides to Enhance Hydrogen Evolution

塔菲尔方程 材料科学 石墨烯 碳化物 过渡金属 制氢 密度泛函理论 化学工程 吸附 纳米技术 无机化学 催化作用 化学物理 物理化学 计算化学 化学 电化学 复合材料 有机化学 电极 工程类
作者
Chenfan Yang,Ke Shen,Rong Zhao,Hui Xiang,Jing Wu,Wenda Zhong,Qin Zhang,Xuanke Li,Nianjun Yang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (5) 被引量:86
标识
DOI:10.1002/adfm.202108167
摘要

Abstract Hydrogen production from water splitting is one of the most promising approaches to achieve carbon neutrality when high‐performance electrocatalysts are ready for the sluggish hydrogen evolution reaction (HER). Although earth‐rich and cheap transition metal carbides (TMCs) are potential HER electrocatalysts, their platinum‐like electronic structures are severely hampered by their strong binding with hydrogen intermediates (H*). Here, a universal “balance effect” strategy is proposed, where nitrogen‐doped graphene (NG) is introduced to weaken the interactions of TMCs (M = Mo, W, Ti, and V) with H*. Hydrogen binding energies calculated by the density functional theory show that the TMCs coupled with NG appear to be thermo‐neutral. Stemming from different work functions of TMCs and NG, partial electrons transfer from TMC to the NG surface, resulting in optimized electronic structures of these electrocatalysts. These optimized electronic structures balance hydrogen adsorption and desorption, leading to synergistically‐enhanced HER kinetics. The overpotentials and Tafel slopes of the HER on these TMC@NG electrocatalysts are thus pronouncedly reduced in both acidic and alkaline solutions. This universal strategy provides a novel approach to design effective and stable TMCs as superior HER electrocatalysts. It can be expanded to other electrocatalysts for sustainable hydrogen production in different media.
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