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Multi-dimensional hierarchical CoS2@MXene as trifunctional electrocatalysts for zinc-air batteries and overall water splitting

过电位 分解水 电催化剂 材料科学 析氧 化学工程 催化作用 阳极 阴极 电化学 电极 纳米技术 化学 光催化 物理化学 工程类 生物化学
作者
Silin Han,Yu Chen,Yanan Hao,Yaoyi Xie,Dengyu Xie,Ying Chen,Yixing Xiong,Zhengyao He,Feng Hu,Linlin Li,Jixin Zhu,Shengjie Peng
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Nature]
卷期号:64 (5): 1127-1138 被引量:68
标识
DOI:10.1007/s40843-020-1524-5
摘要

The demanding all-in-one electrocatalyst system for oxygen reduction reaction (ORR), oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER) in zinc-air batteries or water splitting requires elaborate material manufacturing, which is usually complicated and time-consuming. Efficient interface engineering between MXene and highly active electrocatalytic species (CoS2) is, herein, achieved by an in situ hydrothermal growth and facile sulfurization process. The CoS2@MXene electrocatalyst is composed by one-dimensional CoS2 nanowires and two-dimensional MXene nanosheets, which lead to a hierarchical structure (large specific surface area and abundant active sites), a spatial electron redistribution (high intrinsic activity), and high anchoring strength (superior performance stability). Therefore, the electrocatalyst achieves enhanced catalytic activity and long-time stability for ORR (a half-wave potential of 0.80 V), OER (an overpotential of 270 mV at 10 mA cm−2, i.e., η10 = 270 mV) and HER (η10 = 175 mV). Furthermore, the asymmetry water splitting system based on the CoS2@MXene composites delivers a low overall voltage of 1.63 V at 10 mA cm−2. The solid-state zinc-air batteries using CoS2@MXene as the air cathode display a small charge-discharge voltage gap (0.53 V at 1 mA cm−2) and superior stability (60 circles and 20-h continuous test). The energy interconversion between the chemical energy and electricity can be achieved by a self-powered system via integrating the water splitting system and quasi-solid-state zinc-air batteries. Supported by in situ Raman analyses, the formation of cobalt oxyhydroxide species provides the active sites for water oxidation. This study paves a promising avenue for the design and application of multifunctional nanocatalysts.

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