Recent Advances in 0D Ni/Co-based Hollow Electrocatalysts for Electrochemical Water Splitting

doi:10.1007/s40242-024-3278-3

Abstract

Abstract: Electrochemical water splitting using renewable energy sources has been recognized as a sustainable way to produce hydrogen energy due to the characteristics of low-carbon and no pollution. However, the slow hydrogen/oxygen evolution reactions (HER/OER) seriously hinder the practical application of large-scale water splitting. In this paper, the 0D Ni/Co-based hollow material is discussed in detail because of adjustable morphology, low mass density and abundant active sites, which provides an effective solution for improving the HER/OER reaction kinetics. The synthesis methods of hollow materials, such as hard template, soft template and self-template are introduced. Afterward, catalysts with different structural designs of hollow structures are reviewed, including hollow single-shelled structure, hollow core-shelled structure, hollow double-shelled structure and hollow multi-shelled structure (HoMS) catalysts. Wherein, the research progress of the 0D Ni/Co-based HoMS electrocatalysts in recent years and their prominent performances in water splitting are highlighted. Finally, the challenges and development prospects of designing Ni/Co-based HoMS catalysts in water splitting in the future are discussed.

Key words: Electrochemical water splitting, Morphological regulation, Hollow structure, Hollow multi-shelled structure (HoMS)

GE Wenjing, CHEN Xiaocui, MA Ruizhao, ZHENG Siyuan, SHANG Ningzhao, ZHAO Xiaoxian. Recent Advances in 0D Ni/Co-based Hollow Electrocatalysts for Electrochemical Water Splitting[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2024, 40(3): 437-450.

References

[1] Zhang G. W., Li Z. Y., Zeng J. R., Yu L., Zuo C. Y., Wen P., Liu Y., Zhong L. B., Chen H. T., Qiu Y. J., Appl. Catal. B:Environ., 2022, 319, 121921.
[2] Li R. W., Chen X. Y., Cao B. L., Ji R.Y., Deng Q. H., Qu J., Wang K. G., Zhu X. B., Chao Y., Chem. Eng. J., 2021, 409, 128240.
[3] Li P., Li W. Q., Huang Y. Q., Huang Q. H., Tian S., Small, 2023, 19, 2300725.
[4] Li J. C., Zhang C., Zhang C., Ma H. J., Guo Z. Q., Zhong C. L., Xu M., Wang X. J., Wang Y. Y., Ma H. X., Qiu J. S., Adv. Mater., 2022, 34, 2203900.
[5] Peng X., Xie S., Wang X., Pi C. R., Liu Z. T., Gao B., Hu L. S., Xiao W., Chu P. K., J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 20761.
[6] Wang P., Luo Y. Z., Zhang G. X., Chen Z. S., Ranganathan H., Sun S. H., Shi Z. C., Nano-Micro. Lett., 2022, 14, 120.
[7] Chen J. W., Chen H. X., Yu T. W., Li R. C., Wang Y., Shao Z. P., Song S. Q., Electrochem. Energy Rev., 2021, 4, 566.
[8] Zhou Z., Pei Z. X., Wei L., Zhao S. L., Jian X., Chen Y., Energy Environ. Sci., 2020, 10, 3185.
[9] Zhou Q. X., Xu C. X., Hou J. G., Ma W. Q., Jian T. Z., Yan S. S., Liu H., Nano-Micro Lett., 2023, 15, 95.
[10] Liu Y., Xu S. J., Zheng X. Y., Lu Y. K., Li D., Jiang D. L., Colloid Interface Sci., 2022, 625, 457.
[11] Wang X., Huang H. G., Qian J. J., Li Y. W., Shen K., Appl. Catal. B:Environ., 2023, 325, 122295.
[12] Jiang S., Xiao T. Y., Xu C., Wang S. W., Peng H. Q., Zhang W. J., Liu B., Song Y. F., Small, 2023, 19, 2208027.
[13] Chen J. W., Chen H. X., Yu T. W., Li R. C., Wang Y., Shao Z. P., Song S. Q., Electrochem. Energy Rev., 2021, 4, 566.
[14] Zhang Z., Ma X. X., Tang J. L., J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 12361.
[15] Wu D. L., Liu B., Li R. D., Chen D., Zeng W. H., Zhao H. Y., Yao Y. T., Qin R., Yu J., Chen L., Zhang J. N., Li B., Mu S. C., Small, 2023, 19, 2300030.
[16] Jian J., Yuan L., Li H., Liu H. H., Zhang X. H., Sun X. J., Yuan H. M., Feng S. H., Chem. Res. Chinese Universities, 2019, 35, 179.
[17] Chen P. Z., Feng D. M., Li K. X., Tong Y., Dalton Trans., 2022, 51, 16990.
[18] You B., Tang M. T., Tsai C., Abild-Pedersen F., Zheng X. L., Li H., Adv. Mater., 2019, 31, 1807001.
[19] Wang J., Tran D. T., Chang K., Prabhakaran S., Kim D. H., Kim N. H., Lee J. H., Energy Environ. Mater., 2022, 6, e12526.
[20] Ahasan Habib M., Mandavkar R., Lin S., Burse S., Khalid T., Hasan Joni. M., Jeong J. H., Lee J., Chem. Eng. J., 2023, 462, 142177.
[21] Zhao T. W., Wang Y., Karuturi S., Catchpole K., Zhang Q., Zhao C., Carbon Energy, 2020, 2, 582.
[22] Zhang W. Y., Chao Y. G., Zhang W. S., Zhou J. H., Lv F., Wang K., Lin F. X., Luo H., Li J., Tong M. P., Adv. Mater., 2021, 33, 2102576.
[23] Baek J., Hossain M. D., Mukherjee P., Lee J., Winther K. T., Leem J., Jiang Y., Chueh W. C., Bajdich M., Zheng X., Nat. Commun., 2023, 14, 5936.
[24] Chen R. Z., Chen S. H., Wu W., Zhu Y., Zhong J., Cheng N. C., ACS Energy Lett., 2023, 8, 3504.
[25] Yang X., Cheng J., Li H., Xu Y., Tu W. F., Zhou J. H., Chem. Eng. J., 2023, 465, 142745.
[26] Wang C. R., Zhang L., Dou Y. H., Hencz L., Jiang L. X., AlMamun M., Liu P. R., Zhang S. Q., Wang D., Zhao H. J., Energy Technol., 2020, 8, 2000008.
[27] Jeon S. S., Kang P. W., Klingenhof M., Lee H., Dionigi F., Strasser P., ACS Catal., 2023, 13, 1186.
[28] Ni Y. M., Shi D., Mao B. G., Wang S. H., Wang Y., Ahmad A., Sun J. L., Song F., Cao M. H., Hu C. W., Small, 2023, 19, 2302556.
[29] Chanda D., Kwon H., Meshesha M. M., Gwon J. S., Ju M., Kim K., Yang B. L., Appl. Catal. B:Environ., 2024, 340, 123187.
[30] Li X., Kou Z. K., Xi S. B., Zang W. J., Yang T., Zhang L., Wang J. H., Nano Energy, 2020, 78, 105230.
[31] Huang W. H., Li X. M., Yang X. F., Zhang H. Y., Liu P. B., Ma Y. M., Lu X., Chem. Eng. J., 2021, 420, 127595.
[32] Zhang L., Rong J., Yang Y., Zhu H., Yu X., Chen C., Cheng H. M., Liu G., Small, 2023, 19, 2207472.
[33] Lyu C., Cheng J. R., Wang H. C., Yang Y. Q., Wu K. L., Song P., Lau W. M., Zheng J. L., Zhu X. X., Yang H. Y., Adv. Compos. Hybrid Mater., 2023, 6, 175.
[34] Xu D. X., Liu S. R., Zhang M. Y., Xu L. L., Gao H., Yao J., Small, 2023, 19, 2300201.
[35] Xie X. Q., Liu J., Gu C., Li J., Zhao Y., Liu C. S., J. Energy Chem., 2022, 64, 503.
[36] Jia H. Y., Wang H. Y., Yan F. F., Zhang H. C., Li Z., Wang J. J., Appl. Catal. B:Environ., 2023, 343, 123362.
[37] Gao X. R., Liu X. M., Zang W. J., Dong H. L., Pang Y. J., Kou Z. K., Wang P. Y., Pan Z. H., Wei S. R., Mu S. C., Wang J. H., Nano Energy, 2020, 78, 105355.
[38] Zhang K. K., Mai W. S., Li J., Li G. Q., Tian L. H., Hu W., ACS Appl. Nano Mater., 2019, 2, 5931.
[39] Li P., Qiang F. F., Tan X. H., Li Z., Shi J., Liu S., Huang M. H., Chen J. W., Tian W. Q., Wu J. Y., Hu W., Wang H. L., Appl. Catal. B:Environ., 2024, 340, 123231.
[40] Zhang Z. J., Guo J. P., Sun S. H., Sun Q., Zhao Y. W., Zhang Y. F., Yu Z. Y., Li C. S., Sun Y., Zhang M. M., Jiang Y., Rare Met., 2023, 42, 3607.
[41] Liu Q., Li M. Y., Shi Y. M., Liu C. B., Yu Y. F., Zhang B., Rare Met., 2021, 41, 836.
[42] Chen M. X., Li H. J., Wu C. L., Liang Y. B., Qi J., Li J., Shangguan E., Zhang W., Cao R., Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2206407.
[43] Qi Y. X., Li T. T., Hu Y. J., Xiang J. H., Shao W. Q., Chen W. H., Mu X. Q., Liu S. L., Chen C. Y., Yu M., Mu S. C., Chem. Res. Chinese Universities, 2022, 38, 1282.
[44] Yang M., Zhang C. H., Li N. W., Luan D., Yu L., Lou X. W., Adv. Sci., 2022, 9, 2105135.
[45] Qi X. R., Liu Y., Ma L. L., Hou B. X., Zhang H. W., Li X. H., Wang Y. S., Hui Y. Q., Wang R. X., Bai C.Y., Liu H., Song J. J., Zhao X. X., Rare Met., 2022, 41, 1637.
[46] Zhao X. X., Wang J. Y., Yu R. B., Wang D., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 17114.
[47] Zong L. B., Xu J., Jiang S. Y., Zhao K., Wang Z. M., Liu P. R., Zhao H. J., Chen J., Xing X. R., Yu R. B., Adv. Mater., 2016, 29, 1604377.
[48] Ma L. L., Hou B. X., Zhang H., Yuan S. T., Zhao B., Liu Y., Qi X. R., Liu H. Y., Zhang S. H., Song J. J., Zhao X. X., Chem. Eng. J., 2023, 453, 139735.
[49] Zhang H., Wang L., Ma L. L., Liu Y. H., Hou B. X., Shang N. Z., Zhang S. H., Song J. J., Chen S. Q., Zhao X. X., Adv. Sci., 2023, 2306168.
[50] Feng J. N., Shi C., Dong H. H., Zhang C. Y., Liu W. D., Liu Y., Wang T. Y., Zhao X. X., Chen S. Q., Song J. J., J. Energy Chem., 2023, 86, 135.
[51] Liu J. C., Ma L. L., Li S., Hou L. L., Qi X. R., Wen Y. Q., Hu G. P., Wang N., Zhao Y., Zhao X. X., Rare Met., 2023, 42, 3378.
[52] Ma L. L., Hou B. X., Shang N. Z., Zhang S. H., Wang C., Zong L. B., Song J. J., Wang J. Y., Zhao X. X., Mater. Chem. Front., 2021, 5, 4579.
[53] Fan C., Wu X. D., Li M., Wang X., Zhu Y., Fu G. T., Ma T. Y., Tang Y. W., Chem. Eng. J., 2022, 431, 133829.
[54] Ma L. L., Zhou X. M., Sun J., Zhang P., Hou B. X., Zhang S. H., Shang N. Z., Song J. J., Ye H. J., Shao H., Tang Y. F., Zhao X. X., J. Energy Chem., 2023, 82, 268.
[55] Du J., Chen D. X., Ding Y. X., Wang L. Q., Li F., Sun L. C., Small, 2023, 19, 2207611.
[56] Wang C., Shang H. Y., Li J., Wang Y., Xu H., Wang C. Y., Guo J., Du Y. K., Chem. Eng. J., 2021, 420, 129805.
[57] Zhang J., Hu L. P., Cao W., Dong Y. Y., Xia D. B., Lin K. F., Yang Y. L., Inorg. Chem., 2023, 62, 11690.
[58] Wang W., Zhang J., Lin K. F., Wang J. Q., Hu B. Y., Dong Y. Y., Xia D. B., Yang Y. L., J. Energy Chem., 2023, 86, 308.
[59] Yu L., Yang J. F., Guan B. Y., Lu Y., Lou X. W., Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 57, 172.
[60] Qian Q., Li Y. P., Liu Y., Zhang G. Q., Appl. Catal. B:Environ., 2020, 266, 118642.
[61] Zhu Y. X., Zhang L., Zhang X., Li Z., Zha M., Li M., Hu G. Z., Chem. Eng. J., 2021, 405, 127002.
[62] Xia L. C., Bo L. L., Shi W. P., Zhang Y. N., Shen Y. X., Ji X. C., Guan X. L., Wang Y. X., Tong J. H., Chem. Eng. J., 2023, 452, 139250.
[63] Li J. M., Kang Y. M., Wei W. L., Li X., Lei Z. Q., Liu P., Chem. Eng. J., 2021, 407, 127961.
[64] Guo Y. N., Zhou X., Tang J., Tanaka S., Kaneti Y. V., Na J., Jiang B., Yamauchi Y., Bando Y., Sugahara Y., Nano Energy, 2020, 75, 104913.
[65] Ding X. D., Pei L. S., Huang Y. X., Chen D. Y., Xie Z. L., Small, 2022, 18, 2205547.
[66] Zhang Z. Q., Zhang Z., Chen X. B., Wang H. B., Lu H. Y., Shi Z., Feng S. H., CCS Chem., 2024, 6, 1324.
[67] Guo R. K., Shi W., Liu W. Z., Yang X., Xie Y., Yang T., Xiao J. F., Chem. Eng. J., 2022, 429, 132478.
[68] Li Y. Y., Guo H. R., Zhang Y., Zhang H. T., Zhao J. Y., Song R., J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 18989.
[69] Lu X. F., Zhang S. L., Sim W. L., Gao S. Y., Lou X. W., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 22885.
[70] Luo J. H., Wang J., Guo Y., Zhu J. W., Jin H. H., Zhang Z. W., Zhang D. J., Niu Y. S., Hou S. G., Du J. M., He D. P., Xiong Y. L., Chen L., Mu S. C., Huang Y., Appl. Catal. B:Environ., 2022, 305, 121043.
[71] Liu Y., Lin Q., Chen X. C., Meng X. F., Hou B. X., Liu H. Y., Zhang S. H., Shang N. Z., Wang Z., Zhang C. Y., Song J. J., Zhao X. X., Energy Environ. Mater., 2023, e12684.
[72] Song W. J., Teng X., Niu Y. L., Gong S. Q., He X. M., Chen Z. F., Chem. Eng. J., 2021, 409, 128227.
[73] Zhang K. F., Deng Y. Q., Wu Y. H., Wang L. L., Yan L. F., J. Colloid Interface Sci., 2023, 647, 246.
[74] Wen J.G. L., Li Y. W., Gao J. K., Chem. Res. Chinese Universities, 2020, 36, 662.
[75] Wang S., Huo W., Feng H., Xie Z., Shang J. K., Formo E. V., Camargo P. H. C., Fang F., Jiang J., Adv. Mater., 2023, 35, 2304494.
[76] Hou G. Y., Jia X., Kang H. J., Qiao X. S., Liu Y., Li Y., Wu X. H., Qin W., Appl. Catal. B, Environ., 2022, 315, 121551.
[77] Hu L. Y., Xiao R. S., Wang X., Wang X. X., Wang C. L., Wen J., Gu W. L., Zhu C. Z., Appl. Catal. B:Environ., 2021, 298, 120599.
[78] Niu Q., Yang M., Luan D., Li N. W., Yu L., Lou X. W., Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202213049.
[79] Kaneti Y. V., Guo Y., Septiani N. L. W., Iqbal M., Jiang X., Takei T., Yuliarto B., Alothman Z. A., Golberg D., Yamauchi Y., Chem. Eng. J., 2021, 405, 126580.
[80] Shen L., Yu L., Wu H. B., Yu X. Y., Zhang X., Lou X. W., Nat. Commun., 2015, 6, 6694.
[81] Chong B., Xia M. Y., Lv Y., Li H., Yan X. Q., Lin B., Yang G. D., Chem. Eng. J., 2023, 465, 142853.
[82] Wei Y. Z., Zhao D. C., Wan J. W., Wang D., Trends Chem., 2022, 4, 1021.
[83] Ding D. N., Shen K., Chen X. D., Chen H. R., Chen J. Y., Fan T., Wu R. F., Li Y. W., ACS Catal., 2018, 8, 7879.
[84] Li G. D., Tang Z. Y., Nanoscale, 2014, 6, 3995.
[85] Ramesh S. K., Ganesan V., Kim J., ACS Appl. Energy Mater., 2021, 4, 12998.
[86] Wang J. Y., Tang H. J., Wang H., Yu R. B., Wang D., Mater. Chem. Front., 2017, 1, 414.
[87] Xu W., Bi R. Y., Yang M., Wang J. Y., Yu R. B., Wang D., Nano Res., 2023, 16, 12745.
[88] Zhao J. L., Wang J. Y., Bi R., Yang. M., Wang J. W., Jiang H. Y., Gu L., Wang D., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 25719.
[89] Chang Z. H., Liu W. D., Feng J. N., Lin Z. H., Shi C., Wang T. Y., Lei Y. J., Zhao X. X., Song J. J., Wang G. X., Batteries Supercaps, 2023, e202300516.
[90] Zhao X. L., Yang M., Wang J. Y., Wang D., Chem. Res. Chinese Universities, 2023, 39, 630.
[91] Wang J. Y., Yang N. L., Tang H. J., Dong Z. H., Jin Q., Yang M., Kisailus D., Zhao H. J., Tang Z. Y., Wang D., Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 6417.
[92] Wang J. Y., Tang H. J., Zhang Y. J., Ren H., Yu R. B., Jin Q., Qi J., Mao D., Yang M., Wang Y., Liu P. R., Zhang Y., Wen Y. R., Gu L., Ma G. H., Su Z. G., Tang Z. Y., Zhao H. J., Wang D., Nat. Energy, 2016, 1, 16050.
[93] Zhao X. L., Yang M., Wang J. Y., Wang D., Chem. Res. Chinese Universities, 2023, 39, 630.
[94] Dong Z., Ren H., Hessel C. M., Wang J. Y., Yu R. B., Jin Q., Yang M., Hu Z. D., Chen Y. F., Tang Z. Y., Zhao H. J., Wang D., Adv. Mater., 2013, 26, 905.
[95] Wei Y., Wang J., Yu R., Wan J., Wang D., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 1422.
[96] Wang W., Zhang J., Lin K. F., Wang J. Q., Zhang X. R., Hu B. Y., Dong Y. Y., Xia D. B., Yang Y. L., Adv. Mater., 2023, 35, 2306140.
[97] Hu B. Y., Zhang J., Yang Y. L., Dong Y. Y., Wang J. W. Q., Wang W., Lin K. F., Xia D. B., Fan R. Q., Nano Energy, 2023, 118, 109022.
[98] Han W. S., Wang Y. L., Wan J. W., Wang D., Chem. Res. Chinese Universities, 2022, 38, 117.
[99] Wang C., Wang J. Y., Hu W. P., Wang D., Chem. Res. Chinese Universities, 2019, 36, 68.
[100] Zhao D. C., Wei Y. Z., Xiong J., Gao C. S., Wang D., Adv. Funct. Mater., 2023, 33, 2300681.
[101] Zhao D. C., Yang N. L., Wei Y., Jin Q., Wang Y. L., He H. Y., Yang Y., Han B., Zhang S. J., Wang D., Nat. Commun., 2020, 11, 4450.
[102] Yuan M. W., Shi S. L., Luo Y. P., Yu Y., Wang S. H., Chen C., Chem. Res. Chinese Universities, 2022, 38, 999.
[103] Wang L., Wan J. W., Zhao Y. S., Yang N. L., Wang D., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 2238.
[104] Wang H., Yang N. L., Cui W., Wang J. Y., Li Q. H., Zhang Q. H., Yu X. Q., Gu L., Li J., Yu R. B., Huang K. K., Song S. Y., Feng S. H., Wang D., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19691.
[105] Wang H., Mao D., Qi J., Zhang Q. H., Ma X. H., Song S. Y., Gu L., Yu R. B., Wang D., Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806588.
[106] Hou P., Li D., Wan J. W., Zhang C. H., Zhang X. Q., Jiang H. Y., Zhang Q. H., Gu L., Wang D., Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 6926.
[107] Ganesan V., Kim J., Int. J. Hydrogen Energy, 2020, 45, 13290.
[108] Peng S. J., Gong F., Li L. L., Yu D. S., Ji D. X., Zhang T., Hu Z., Zhang Z. Q., Chou S. L., Du Y. H., Ramakrishna S., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 13644.
[109] Li B., Wang J. Y., Bi R. Y., Yang N. L., Wan J. W., Jiang H. Y., Gu L., Du J., Cao A. M., Gao W., Wang D., Adv. Mater., 2022, 34, 2200206.
[110] Huang T. Y., Yang M., Wang J. Y., Zhang S. J., Du J., Wang D., Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43, 20220263.
[111] Zhang H., Wu Y. Q., Wang X. D., Li C. P., Xiao Z. Y., Liu Y. R., Deng Y., Li Z. J., Wang L., Chem. Eng. J., 2023, 463, 142448.
[112] Du Y. M., Zhang M. J., Wang Z. C., Liu Y. R., Liu Y. J., Geng Y. L., Wang L., J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 8602.