Construction of N-doped carbon frames anchored with Co single atoms and Co nanoparticles as robust electrocatalyst for hydrogen evolution in the entire pH range

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作者
Minmin Wang,Min Li,Yilin Zhao,Naiyou Shi,Hui Zhang,Yu-Xue Zhao,Yaru Zhang,Haoran Zhang,Wenhong Wang,Kaian Sun,Yuan Pan,Shoujie Liu,Houyu Zhu,Wenyue Guo,Yanpeng Li,Yunqi Liu,Chenguang Liu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:67: 147-156 被引量:32
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2021.09.037
摘要

The development of low-cost, efficient, and high atomic economy electrocatalysts for hydrogen evolution reaction (HER) in the entire pH range for sustainable hydrogen production is of great importance but still challenging. Herein, we synthesize a highly dispersed N-doped carbon frames (NCFs) anchored with Co single atoms (SAs) and Co nanoparticles (NPs) catalyst by a doping-adsorption-pyrolysis strategy for electrocatalytic hydrogen evolution. The Co SAs-Co NPs/NCFs catalyst exhibits an excellent HER activity with small overpotential, low Tafel slope, high turnover frequency as well as remarkable stability. It also exhibits a superior HER performance in the entire pH range. Combining with experimental and theoretical calculation, we find that Co SAs with Co-N3 coordination structure and Co NPs have a strong interaction for promoting synergistic HER electrocatalytic process. The H2O molecule is easily activated and dissociated on Co NPs, while the generated H* is easily adsorbed on Co SAs for HER, which makes the Co SAs-Co NPs/NCFs catalyst exhibit more suitable H adsorption strength and more conducive to the activation and dissociation of H2O molecules. This work not only proposes a novel idea for constructing coupling catalyst with atomic-level precision, but also provides strong reference for the development of high-efficiency HER electrocatalysts for practical application.

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