Interfacial Engineering and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance of Ni/TiO2-VO Nanowires Self-supporting Thin Films

doi:10.7503/cjcu20230057

Abstract

Abstract:

In this paper， a self-supporting titanate nanowire thin film was synthesized by a hydrothermal method. After an ion exchange reaction and a high-temperature H₂/Ar（5%） mixture reduction， the Ni nanoparticles modified oxygen-rich vacancy TiO₂ nanowire self-supporting films（Ni/TiO₂-V_O NFFs） were obtained. During the high-temperature reduction in H₂/Ar atmosphere， abundant oxygen vacancies and low-coordinated Ti³⁺ sits were generated on the surface of TiO₂ nanowires， which lead to the improvement of the electrical conductivity of TiO₂ film. In addition， the strong interaction between Ni nanoparticles and TiO₂ optimized the electronic structure and promoted the electrocatalytic hydrogen evolution reaction（HER） activity. density functional theory（DFT） calculations revealed that Ni/TiO₂-V_O NFFs had optimal Gibbs free energy of hydrogen adsorption（ΔG_H*）. As a result， Ni/TiO₂-V_O NFFs exhibited an overpotential of 67 mV at 10 mA/cm² in 1 mol/L KOH solution and displayed excellent stability， showing great potential in the field of electrocatalytic HER.

Key words: TiO₂, Electrocatalysis, Hydrogen evolution reaction（HER）, Interface engineering

CLC Number:

O646

TrendMD:

ZHAO Huanyu, MI Hongtian, CHANG Yueqi, ZHOU Dongxue, ZHANG Liguo, YANG Mu. Interfacial Engineering and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance of Ni/TiO₂-V_O Nanowires Self-supporting Thin Films[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230057.

Figures/Tables 7

References 40

1	Zhao Y. F.， Kumar P. V.， Tan X.， Lu X. X.， Zhu X. F.， Jiang J. J.， Pan J.， Xi S. B.， Yang H. Y.， Ma Z. P.， Wan T.， Chu D. W.， Jiang W. J.， Smith S. C.， Amal R.， Han Z. J.， Lu X. Y.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 2430
2	Deng J.， Li H. B.， Wang S. H.， Ding D.， Chen M. S.， Liu C.， Tian Z. Q.， Novoselov K. S.， Ma C.， Deng D. H.， Bao X. H.， Nat. Commun.， 2017， 8（1）， 14430
3	Li C. W.， Ciston J.， Kanan M. W.， Nature， 2014， 508（7497）， 504—507
4	Asadi M.， Kumar B.， Behranginia A.， Rosen B. A.， Baskin A.， Repnin N.， Pisasale D.， Phillips P.， Zhu W.， Haasch R.， Klie R. F.， Král P.， Abiade J.， Salehi⁃Khojin A.， Nat. Commun.， 2014， 5（1）， 4470
5	Shi Q.R.， Zhu C. Z.， Du D.， Lin Y. H.， Chem. Soc. Rev.， 2019， 48（12）， 3181—3192
6	Li Y.， Wei X. F.， Chen L. S.， Shi J. L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（36）， 2—24
7	Liu K. H.， Zhong H. X.， Meng F. L.， Zhang X. B.， Yan J. M.， Jiang Q.， Mater. Chem. Front.， 2017， 1（11）， 2155—2173
8	Fan J. L.， Tang H.， Qin F. J.， Xu W. J.， Gu H. F.， Pei J. J.， Chen W. X.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（9）， 20220366
	范建玲，唐灏，秦凤娟，许文静，谷鸿飞，裴加景，陈文星. 高等学校化学学报， 2022， 43（9）， 20220366
9	Yang C. F.， Zhao R.， Xiang H.， Wu J.， Zhong W. D.， Li W. L.， Zhang Q.， Yang N. J.， Li X. K.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（37）， 2002260
10	Tu K. J.， Tranca D.， Rodriguez⁃Hernandez F.， Jiang K. Y.， Huang S. H.， Zheng Q.， Chen M. X.， Lu C. B.， Su Y. Z.， Chen Z. Y.， Mao H. Y.， Yang C. Q.， Jiang J. Y.， Liang H. W.， Zhuang X.， Adv. Mater.， 2020， 32（46）， 2005433
11	Chen W. S.， Gu J. J.， Du Y. P.， Song F.， Bu F. X.， Li J. H.， Yuan Y.， Luo R. C.， Liu Q. L.， Zhang D.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（25）， 2000551
12	Mohammed⁃Ibrahim J.， Sun X.， J. Energy Chem.， 2019， 34， 111—160
13	Trotochaud L.， Ranney J. K.， Williams K. N.， Boettcher S. W.， J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（41）， 17253—17261
14	Louie M. W.， Bell A. T.， J. Am. Chem. Soc.， 2013， 135（33）， 12329—12337
15	Feng J. X.， Xu H.， Dong Y. T.， Lu X. F.， Tong Y. X.， Li G. R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（11）， 2960—2964
16	Shen G. Q.， Zhang R. R.， Pan L.， Hou F.， Zhao Y. J.， Shen Z. Y.， Mi W. B.， Shi C. X.， Wang Q. F.， Zhang X. W.， Zou J. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（6）， 2313—2317
17	Chen X. B.， Mao S. S.， Chem. Rev.， 2007， 107（7）， 2891—2959
18	Mazúr P.， Polonsky´ J.， Paidar M.， Bouzek K.， Int. J. Hydrogen Energy， 2012， 37（17）， 12081—12088
19	Zhang Z.， Ni L. W.， Liu H. J.， Zhao Z. L.， Yuan X. Z.， Li H.， Sci. China Chem.， 2022， 65（3）， 611—618
20	He L. H.， Liu J. M.， Liu Y. K.， Cui B. B.， Hu B.， Wang M. H.， Tian K.， Song Y. P.， Wu S. D.， Zhang Z. H.， Peng Z. L.， Du M.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 248， 366—379
21	Ye W.， Fang X. Y.， Chen X. B.， Yan D. P.， Nanoscale， 2018， 10， 19484
22	Chen X. B.， Liu L.， Yu P. Y.， Mao S. S.， Science， 2011， 331（6018）， 746—750
23	Chen Y.， Lin J.， Jia B. H.， Wang X. D.， Jiang S. Y.， Ma T. Y.， Adv. Mater.， 2022， 34（39）， 2201796
24	Meng G.， Tian H.， Peng L. X.， Ma Z. H.， Chen Y. F.， Chen C.， Chang Z. W.， Cui X. Z.， Shi J. L.， Nano Energy， 2021， 80， 105531
25	Pan Y.， Sun K. A.， Lin Y.， Cao X.， Cheng Y. S.， Liu S. J.， Zeng L. Y.， Cheong W. C.， Zhao D.， Wu K. L.， Liu Z.， Liu Y. Q.， Wang D. S.， Peng Q.， Chen C.， Li Y. D.， Nano Energy， 2019， 56， 411—419
26	Zhang L. G.， Tang W.， Dong C.， Zhou D. X.， Xing X. Q.， Dong W.， Ding Y. H.， Wang G.， Wu M. Y.， Appl Catal. B： Environ.， 2022， 302， 120833
27	Huang G. J.， Liang W. L.， Wu Y. L.， Li J. W.， Jin Y. Q.， Zeng H. B.， Zhang H.， Xie F. Y.， Chen J.， Wang N.， Jin Y. S.， Meng H.， J. Catal.， 2020， 390， 23—29
28	Wang X.， Chen W.， Zhang L.， Yao T.， Liu W.， Lin Y.， Ju H.， Dong J.， Zheng L.， Yan W.， Zheng X.， Li Z.， Wang X.， Yang J.， He D.， Wang Y.， Deng Z.， Wu Y.， Li Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（28）， 9419—9422
29	Peng S. J.， Li L. L.， Han X. P.， Sun W. P.， Srinivasan M.， Mhaisalkar S. G.， Cheng F. Y.， Yan Q. Y.， Chen J.， Ramakrishna S.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 126（46）， 12802—12807
30	Hou Y， Wen Z. H.， Cui S. M.， Ci S. Q.， Mao S.， Chen J. H.， Adv. Funct. Mater.， 2015， 25（6）， 872—882
31	Zhang X. Q.， Yan P. F.， Zhao B.， Zhang Z. C.， Catal. Sci. Technol.， 2021， 11（1）， 297—311
32	Dong C.， Li A.， Zhang L. G.， Dong W. J.， Gao H. Y.， Jia X. L.， Chen X.， Mi H. T.， Wang G.， Chen X. B.， J. Power Sources， 2020， 448， 227458
33	Seemala B.， Cai C. M.， Wyman C. E.， Christopher P.， ACS Catal.， 2017， 7（6）， 4070—4082
34	Li X.， Anwer S.， Guan Q. S.， Anjum D. H.， Palmisano G.， Zheng L. X.， Adv. Sci.， 2022， 9（18）， 2200346
35	Zhou Y. M.， Ye Q. J.， Shi X. L.， Zhang Q.， Xie Z. K.， Li D.， Jiang D. L.， Chem. Eng. J.， 2022， 447， 137485
36	Wu D.， Liu J.， Zhao X. N.， Li A. D.， Chen Y. F.， Ming N. B.， Chem. Mater.， 2006， 18（2）， 547—553
37	Li R. J.， Luan Q. J.， Dong C.， Dong W. J.， Tang W.， Wang G.， Lu Y. F.， Appl. Catal. B： Environ.， 2021， 286， 119832
38	Ye W.， Yang Y. S.， Fang X. Y.， Arif M.， Chen X. B.， Yan D. P.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2019， 7（21）， 18085—18092
39	Wang J.， Xu F.， Jin H. Y.， Chen Y. Q.， Wang Y.， Adv. Mater.， 2017， 29（14）， 1605838
40	Shi X. W.， Dai C.， Wang X.， Hu J. Y.， Zhang J. Y.， Zheng L. X.， Mao L.， Zheng H. J.， Zhu M. S.， Nat. Commun.， 2022， 13， 1287

[1]	SONG Yanan, YOU Zuhao, WANG Xu, LIU Yao. Research Progress of Electroactive Ionene-based Organic Photovoltaic Interlayers [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(9): 20230167.
[2]	ZU Peng, YUAN Pengcheng, WANG Shuguang, SUN Xuefei. Efficient Oil-water Separation at the g-C₃N₄/TiO₂-PVDF Photoresponsive Membrane Interface： Permeability and Selectivity Differences Induced by Different Exposed Crystal Planes and Performance [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20230085.
[3]	CHI Liping, NIU Zhuangzhuang, LIAO Jie, TANG Kaibin, GAO Minrui. Recent Progress in Intercalation Chemistry of Transition Metal Oxides for Electrocatalytic Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220740.
[4]	HE Ruhan, LI Hao, HAN Fang, CHEN Aoyuan, MAI Liqiang, ZHOU Liang. Research Progresses on Interface Engineering of Si-Based Anodes for Lithium-ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220748.
[5]	XU Jianing, BAI Wenjing, LOU Yuhan, YU Haipeng, DOU Shuo. Electrocatalytic Oxidative Cleavage of Lignin： Facile and Efficient Biomass Valorization Strategy [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220749.
[6]	LI Xuan, QI Shuai, ZHOU Weiliang, LI Xiaojie, JING Lingyan, FENG Chao, JIANG Xingxing, YANG Hengpan, HU Qi, HE Chuanxin. Advances in Nanofiber-based Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220770.
[7]	ZHANG Xiaoran, ZHENG Jianyun, LYU Yanhong, WANG Shuangyin. Recent Advances in Green C-N Coupling for Urea Synthesis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(5): 20220717.
[8]	YANG Qingfeng, LYU Liang, LAI Xiaoyong. Progress on Preparation and Electrocatalytic Application of Hollow MOFs [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220666.
[9]	LIN Gaoxin, WANG Jiacheng. Progress and Perspective on Molybdenum Disulfide with Single-atom Doping Toward Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220321.
[10]	WANG Sicong, PANG Beibei, LIU Xiaokang, DING Tao, YAO Tao. Application of XAFS Technique in Single-atom Electrocatalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220487.
[11]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[12]	YAO Qing, YU Zhiyong, HUANG Xiaoqing. Progress in Synthesis and Energy-related Electrocatalysis of Single-atom Catalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220323.
[13]	HAN Fuchao, LI Fujin, CHEN Liang, HE Leiyi, JIANG Yunan, XU Shoudong, ZHANG Ding, QI Lu. Enhance of CoSe₂/C Composites Modified Separator on Electrochemical Performance of Li-S Batteries at High Sulfur Loading [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220163.
[14]	JIANG Shenghan, CAO Changlin, XIAO Liren, YANG Tang, QIAN Qingrong, CHEN Qinghua. Preparation of Composite Semiconductor Micro-sheets with UV Shielding Performance and Its Application in Polypropylene [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220071.
[15]	WANG Ruhan, JIA Shunhan, WU Limin, SUN Xiaofu, HAN Buxing. CO₂-involved Electrochemical C—N Coupling into Value-added Chemicals [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220395.

Interfacial Engineering and Electrocatalytic Hydrogen Evolution Performance of Ni/TiO₂-V_O Nanowires Self-supporting Thin Films

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