Manipulating d-d orbital hybridization induced by Mo-doped Co9S8 nanorod arrays for high-efficiency water electrolysis

塔菲尔方程 双功能 析氧 分解水 电催化剂 纳米棒 电化学 电解 材料科学 纳米技术 电极 化学工程 化学 催化作用 物理化学 生物化学 光催化 电解质 工程类
作者
Xue Zhou,Jing Li,Guangyao Zhou,Wei‐Ran Huang,Yucan Zhang,Jun Yang,Huan Pang,Mingyi Zhang,Dongmei Sun,Yawen Tang,Lin Xu
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:93: 592-600 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2024.02.033
摘要

Precisely refining the electronic structure of electrocatalysts represents a powerful approach to further optimize the electrocatalytic performance. Herein, we demonstrate an ingenious d-d orbital hybridization concept to construct Mo-doped Co9S8 nanorod arrays aligned on carbon cloth (CC) substrate (abbreviated as Mo-Co9S8@CC hereafter) as a high-efficiency bifunctional electrocatalyst toward water electrolysis. It has experimentally and theoretically validated that the 4d-3d orbital coupling between Mo dopant and Co site can effectively optimize the H2O activation energy and lower H* adsorption energy barrier, thereby leading to enhanced hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) activities. Thanks to the unique electronic and geometrical advantages, the optimized Mo-Co9S8@CC with appropriate Mo content exhibits outstanding bifunctional performance in alkaline solution, with the overpotentials of 75 and 234 mV for the delivery of a current density of 10 mA cm−2, small Tafel slopes of 53.8 and 39.9 mV dec−1 and long-term stabilities for at least 32 and 30 h for HER and OER, respectively. More impressively, a water splitting electrolylzer assembled by the self-supported Mo-Co9S8@CC electrode requires a low cell voltage of 1.53 V at 10 mA cm−2 and shows excellent stability and splendid reversibility, demonstrating a huge potential for affordable and scalable electrochemical H2 production. The innovational orbital hybridization strategy for electronic regulation herein provides an inspirable avenue for developing progressive electrocatalysts toward new energy systems.
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