Mo-doped Ni3S4 nanosheets grown on carbonized wood as highly efficient and durable electrocatalysts for water splitting

电催化剂 析氧 分解水 材料科学 化学工程 碳化 电解质 电解 无机化学 吸附 化学 电极 催化作用 电化学 光催化 物理化学 有机化学 工程类
作者
Zhikai Shi,Chengwei Mao,Lei Zhong,Jiayao Peng,Meilin Liu,Hexing Li,Jianlin Huang
出处
期刊:Applied Catalysis B-environmental [Elsevier BV]
卷期号:339: 123123-123123 被引量:76
标识
DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123123
摘要

Rational design and fabrication of nonprecious metal-based electrocatalysts with high activity and excellent stability for overall water splitting (OWS) is still a grand challenge. Here we report a novel electrocatalyst constructed by incorporating molybdenum into the Ni3S4 lattices grown on carbonized wood (denoted as Mo-Ni3S4/CW). Experimental results and density functional theory (DFT)-based calculations demonstrate that lattice expansion of Ni3S4 caused by Mo doping optimizes adsorption energy of hydrogen/oxygen species and regulates local charge density of active sites, which promote the oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). Also, a nickel (oxy)hydroxide (Ni-OOH) layer generated via surface reconstruction of Ni3S4 nanosheets improves the intrinsic activity for OER. Moreover, the 3D low-tortuosity porous CW substrate increases the exposure of active specific surface, accelerates the rates of electron transfer, electrolyte diffusion, and gas products escaping. Accordingly, an optimized electrocatalyst (Mo-Ni3S4/CW-0.4) exhibits ultralow overpotentials of 17 and 240 mV for HER and OER at 10 mA cm−2, respectively. Besides, an electrolyzer composed of Mo-Ni3S4/CW-0.4 electrodes as both the anode and cathode shows a low cell voltage of 1.46 V at 10 mA cm−2 while maintaining superior durability over 50 h for OWS. Further, it requires only 0.19 V to achieve 10 mA cm−2 for hydrazine oxidation-assisted water electrolysis, indicating highly attractive potential for economical hydrogen production coupling with pollutants treatment.
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