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Focused Plasma- and Pure Water-Enabled, Electrode-Emerged Nanointerfaced NiCo Hydroxide–Oxide for Robust Overall Water Splitting

材料科学 氢氧化物 分解水 氧化物 电极 等离子体 无机化学 纳米技术 化学工程 冶金 物理化学 催化作用 量子力学 光催化 物理 工程类 化学 生物化学
作者
Guangliang Chen,Dongliang Chen,Jun Huang,Cheng Zhang,Wei Chen,Tongtong Li,Bangdou Huang,Tao Shao,Jian Li,Kostya Ostrikov
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (38): 45566-45577 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.1c13480
摘要

Bimetallic, bifunctional electrocatalysts capable of driving both oxygen (OER) and hydrogen (HER) evolution half-reactions on both electrodes in commercial water electrolysis cells are among the most promising materials systems for clean hydrogen energy generation. However, insufficient hydrogen and oxygen production activity at industry-relevant current densities and long-term catalyst stability on the electrode surface prevent this approach from industrial translation. This work resolves these challenges by advancing the promising, yet far-from-successful attempts to sprout bimetallic electrocatalytic nanostructures directly from electrode frames. For the first time, we utilize magnetic-field-focused, atmospheric-pressure plasma jets in oxygen-argon gas mixtures to successfully induce the nanointerfaced bimetallic NiCo hydroxide and oxide catalyst phases. After a simple hydrothermal treatment in pure water, NiCo bimetallic hydroxide nanosheets are densely covered with strongly bonded bimetallic NiCo oxide nanoparticles which ensure high catalytic activity evidenced by the low overpotentials for both HER and OER for delivering a current density of 100 mA cm-2 (j100) of only 306 and 484 mV, respectively. The electrode-emerged nanointerfaced NiCo hydroxide-oxide bimetallic system (NiCo2O4-NiCo(OH)x) shows an ultrastable electrocatalytic performance under a high current density of j200, which only decays 5.8% and 6.3% for HER and OER processes within 100 h. The competitive H2 and O2 production rates are about 1.27 and 0.69 mmol h-1 cm-2 (near to 2:1, under j10 conditions), meeting a nearly 100% Faradaic efficiency. Furthermore, the theory calculation indicates that the Ni and Co sites of NiCo2O4-NiCo(OH)x are the catalytic centers for the HER process. Our new plasma-enabled approach for the controlled production of bimetallic hydroxide-oxide active nanointerfaced systems is generic and is potentially suitable for diverse materials systems and applications well beyond electrocatalysis.

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