MOF-on-MOF-Derived Ultrafine Fe2P-Co2P Heterostructures for High-Efficiency and Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers

材料科学 化学工程 异质结 离子交换 纳米技术 离子 分析化学(期刊) 化学 光电子学 环境化学 生物化学 工程类 有机化学
作者
Hua Zhang,Anran Chen,Zenghui Bi,Xinzhong Wang,Xijun Liu,Qingquan Kong,Wei Zhang,Liqiang Mai,Guangzhi Hu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (23): 24070-24079 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09020
摘要

The alkaline hydrogen evolution reaction (HER) in an anion exchange membrane water electrolyzer (AEMWE) is considered to be a promising approach for large-scale industrial hydrogen production. Nevertheless, it is severely hampered by the inability to operate tolerable HER catalysts consistently under low overpotentials at ampere-level current densities. Here, we develop a universal ligand-exchange (MOF-on-MOF) modulation strategy to synthesize ultrafine Fe2P and Co2P nanoparticles, which are well anchored on N and P dual-doped carbon porous nanosheets (Fe2P-Co2P/NPC). In addition, benefiting from the downshift of the d-band center and the interfacial Co-P-Fe bridging, the electron-rich P site is triggered, which induces the redistribution of electron density and the swapping of active centers, lowering the energy barrier of the HER. As a result, the Fe2P-Co2P/NPC catalyst only requires a low overpotential of 175 mV to achieve a current density of 1000 mA cm-2. The solar-driven water electrolysis system presents a record-setting and stable solar-to-hydrogen conversion efficiency of 20.36%. Crucially, the catalyst could stably operate at 1000 mA cm-2 over 1000 h in a practical AEMWE at an estimated cost of US$0.79 per kilogram of H2, which achieves the target (US$2 per kg of H2) set by the U.S. Department of Energy (DOE).
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