Heteratom doping is a possible way to tune the hydrogen evolution reaction (HER) catalytic capability of electrocatalysts. In this work, we report the development of Mn-doped CoP (Mn–Co–P) nanosheets array on Ti mesh (Mn–Co–P/Ti) as an efficient 3D HER electrocatalyst with good stability at all pH values. Electrochemical tests demonstrate that Mn doping leads to enhanced catalytic activity of CoP. In 0.5 M H2SO4, this Mn–Co–P/Ti catalyst drives 10 mA cm–2 at an overpotential of 49 mV, which is 32 mV less than that for CoP/Ti. To achieve the same current density, it demands overpotentials of 76 and 86 mV in 1.0 M KOH and phosphate-buffered saline, respectively. The enhanced HER activity for Mn–Co–P can be attributed to its more thermo-neutral hydrogen adsorption free energy than CoP, which is supported by density functional theory calculations.

Abstract It is highly attractive, but still remains a huge challenge, to develop efficient non‐noble‐metal electrocatalysts for both the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) under neutral and alkaline conditions. In this paper, we report that CoP nanosheet arrays on carbon cloth (CoP NA/CC), derived from α‐Co(OH) 2 NA/CC, behaves as a three‐dimensional bifunctional water‐splitting catalyst electrode with high activity and durability in neutral and alkaline media. Such CoP NA/CC demands overpotentials of 145 and 52 mV to afford 10 mA cm −2 for the HER in 1.0 M phosphate buffer solution (PBS) and 1.0 M KOH, respectively, with much superior activity to α‐Co(OH) 2 NA/CC. It can be attributed to the more thermo‐neutral hydrogen adsorption free energy for CoP than α‐Co(OH) 2 , according to density functional theory calculations. This electrode also demonstrates superior OER activity over α‐Co(OH) 2 NA/CC and needs overpotentials of only 536 and 300 mV to drive 10 mA cm −2 at neutral and alkaline pH, respectively. The two‐electrode water electrolyzer using CoP NA/CC as both the cathode and anode shows a 2 mA cm −2 water‐splitting current at a cell voltage of 1.60 V in 1.0 M PBS and needs 1.65 V for 10 mA cm −2 under alkaline condition with excellent stability.

The topotactic conversion of cobalt phosphide nanoarray on Ti mesh into a cobalt phosphate nanoarray (Co-Pi NA) via oxidative polarization in phosphate-buffered water is presented. As a 3D oxygen evolution reaction (OER) catalyst electrode at neutral pH, the resulting Co-Pi NA/Ti shows exceptionally high catalytic activity and demands an overpotential of only 450 mV to drive a geometrical catalytic current density of 10 mA cm-2 . Notably, this catalyst also shows superior long-term electrochemical stability. The excellent catalytic activity can be attributed to that such 3D nanoarray configuration allows for the exposure of more active sites and the easier diffusion of electrolytes and oxygen.

It is of high importance to design efficient electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) at alkaline pH. In this communication, we report the development of a Zn-doped Ni3S2 nanosheet array on Ni foam (Zn-Ni3S2/NF) as a high-performance and durable electrocatalyst for the OER. Such Zn-Ni3S2/NF drives a catalytic current density of 100 mA cm-2 with the requirement of an OER overpotential of 330 mV, 90 mV less than that for Ni3S2/NF. Furthermore, Zn-Ni3S2/NF demonstrates excellent long-term electrochemical durability maintaining its activity at an overpotential of 300 mV for 20 h.

The development of efficient bifunctional catalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) is of extreme importance for future renewable energy systems. This Communication reports the recent finding that room‐temperature treatment of CoO nanowire array on Ti mesh by NaBH 4 in alkaline media leads to in situ development of CoB nanoparticles on nanowire surface. The resulting self‐supported CoB@CoO nanoarray behaves as a 3D bifunctional electrocatalyst with high activity and durability for both HER (<17% current density degradation after 20 h electrolysis) and OER (<14% current density degradation after 20 h electrolysis) with the need of the overpotentials of 102 and 290 mV to drive 50 mA cm −2 in 1.0 m KOH, respectively. Moreover, its two‐electrode alkaline water electrolyzer also shows remarkably high durability and only demands a cell voltage of 1.67 V to deliver 50 mA cm −2 water‐splitting current with a current density retention of 81% after 20 h electrolysis. This work provides a promising methodology for the designing and fabricating of metal‐boride based nanoarray as a high‐active water‐splitting catalyst electrode for applications.

Ni₂P nanoflake arrays on carbon cloth act as an efficient and durable catalyst electrode for the urea oxidation reaction (UOR) and hydrogen evolution reaction (HER). Its two-electrode alkaline electrolyzer needs 1.35 V for 50 mA cm⁻², which is 0.58 V less than that required for pure water splitting.

Developing earth-abundant and high-performance electrocatalysts toward the alkaline hydrogen evolution reaction (HER) is highly desired. In this communication, we report a Mn-doped Ni2P nanosheet array on nickel foam (Mn-Ni2P/NF) as a high-efficiency electrocatalyst for the HER in alkaline solutions. This Mn-Ni2P/NF can drive 20 mA cm-2 at an overpotential of 103 mV in 1.0 M KOH, which is 82 mV less than that for Ni2P/NF. In addition, it also demonstrates excellent long-term electrochemical durability for at least 25 h. This work offers us a promising catalyst material for water-splitting devices for large-scale production of hydrogen fuels.

The scalable production of hydrogen fuel through electrochemical water reduction needs efficient Earth-abundant electrocatalysts to make the whole water-splitting process more energy efficient. In this Article, we report that an Al-doped CoP nanoarray on carbon cloth (Al-CoP/CC) behaves as a durable hydrogen evolution electrocatalyst with superhigh activity in 0.5 M H2SO4. It demands a pretty low overpotential of 23 mV to drive a geometrical catalytic current density of 10 mA cm−2, outperforming all reported non-precious metal catalysts. Density functional theory calculations reveal that Al-CoP has a more thermo-neutral hydrogen adsorption free energy than CoP. Notably, this Al-CoP/CC is also superior in activity and durability as a bifunctional catalyst for alkaline water electrolysis, and its two-electrode water electrolyser delivers 10 mA cm−2 water-splitting current at a cell voltage of 1.56 V in 1.0 M KOH. This work offers us an attractive cost-effective catalyst electrode in water-splitting devices for large-scale production of hydrogen fuels.

The porous Ni₃N NA/CC acts as a high-performance and durable electrocatalyst for urea oxidation needing a potential of 1.35 V to drive 10 mA cm⁻² water-splitting current in 1.0 M KOH with 0.33 M urea.

An in situ electrochemically developed core/shell structured Ni₃N@Ni–Bi nanosheet array behaves as an efficient bifunctional catalyst for overall water splitting.