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Heterostructured Core–Shell Ni–Co@Fe–Co Nanoboxes of Prussian Blue Analogues for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution from Alkaline Seawater

共沉淀 普鲁士蓝 电催化剂 催化作用 化学工程 无机化学 分解水 电解 材料科学 电解水 化学 电化学 电极 物理化学 光催化 有机化学 电解质 工程类
作者
Hao Zhang,Jiefeng Diao,Mengzheng Ouyang,Hossein Yadegari,Mingxuan Mao,Mengnan Wang,Graeme Henkelman,Fang Xie,D. Jason Riley
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 1349-1358 被引量:75
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c05433
摘要

The rational construction of efficient and low-cost electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) is critical to seawater electrolysis. Herein, trimetallic heterostructured core-shell nanoboxes based on Prussian blue analogues (Ni-Co@Fe-Co PBA) were synthesized using an iterative coprecipitation strategy. The same coprecipitation procedure was used for the preparation of the PBA core and shell, with the synthesis of the shell involving chemical etching during the introduction of ferrous ions. Due to its unique structure and composition, the optimized trimetallic Ni-Co@Fe-Co PBA possesses more active interfacial sites and a high specific surface area. As a result, the developed Ni-Co@Fe-Co PBA electrocatalyst exhibits remarkable electrocatalytic HER performance with small overpotentials of 43 and 183 mV to drive a current density of 10 mA cm-2 in alkaline freshwater and simulated seawater, respectively. Operando Raman spectroscopy demonstrates the evolution of Co2+ from Co3+ in the catalyst during HER. Density functional theory simulations reveal that the H*-N adsorption sites lower the barrier energy of the rate-limiting step, and the introduced Fe species improve the electron mobility of Ni-Co@Fe-Co PBA. The charge transfer at the core-shell interface leads to the generation of H* intermediates, thereby enhancing the HER activity. By pairing this HER catalyst (Ni-Co@Fe-Co PBA) with another core-shell PBA OER catalyst (NiCo@A-NiCo-PBA-AA) reported by our group, the fabricated two-electrode electrolyzer was found to achieve high output current densities of 44 and 30 mA cm-2 at a low voltage of 1.6 V in alkaline freshwater and simulated seawater, respectively, exhibiting remarkable durability over a 100 h test.
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