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Core–Shell Structured MXene@Carbon Nanodots as Bifunctional Catalysts for Solar-Assisted Water Splitting

双功能 分解水 塔菲尔方程 材料科学 催化作用 光电流 纳米点 化学工程 交换电流密度 析氧 电化学 纳米技术 碳纤维 光催化 化学 电极 光电子学 物理化学 复合数 复合材料 工程类 生物化学
作者
Duong Nguyen Nguyen,Girish S. Gund,Min Gyu Jung,Seung Hun Roh,Jongwook Park,Jung Kyu Kim,Ho Seok Park
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 17615-17625 被引量:83
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c08436
摘要

The design of nonprecious bifunctional electrocatalysts with high activity and prolonged durability in a wide pH range is essential for the development of the highly efficient, cost-effective, and simplified overall water splitting systems. Here, we report core-shell structured MXene@carbon (MX@C) nanodot hybrids with high bifunctional activity, where N-doped carbon shells are grown in a heteroepitaxial manner strongly interacting with the MXene core. The resulting MX@C nanodot hybrids show enhanced catalytic activity for electrochemical hydrogen evolution reaction (HER) in various pH media from 0 to 14. At pH 14, MX@C achieves the low onset potential of 134 mV at 10 mA/cm2 and reduced Tafel slope of 32 mV/dec due to the facilitated charge transfer along the recombination reaction. For the oxygen evolution reaction (OER), MX@C nanodots are incorporated onto the surface of molybdenum-doped bismuth vanadate (Mo:BiVO4) as a cocatalyst of the photoanode, thereby achieving 1.5 times higher photocurrent density than pristine Mo:BiVO4 at 1.23 V (vs reversible hydrogen electrode) due to the enhanced light absorption and charge transfer efficiency. The superiority of this hybrid catalyst is demonstrated implementing the solar-assisted overall water splitting cells based on the MX@C cathode and MX@C/Mo:BiVO4 photoanode. These cells show the enhancement of current density from 0.78 to 1.23 mA/cm2 with long-term durability over 8 h. These results are attributed to the facile surface catalytic kinetics of the chemically and electronically coupled MX@C hybrid at the heterointerface for both OER and HER.
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