An ultrathin VOx-doped NiFe alloy layer (VOx@NiFe) was electrodeposited on the surface of nickel-cobalt phosphide (NiCoP) supported by titanium mesh (TM) to achieve a highly active and low-cost bifunctional electrocatalyst for overall water splitting. VOx doping not only significantly enhances the electrochemical surface areas and the concentration of oxygen vacancies in the NiFe/NiCoP/TM composite, but also greatly improves the surface hydrophilicity. The VOx@NiFe/NiCoP/TM electrode retains a 3D porous structure of NiCoP/TM and exhibits superior electrocatalytic activity for water electrolysis. It requires the overpotentials of merely 45 and 215 mV to deliver the current density of 10 mA cm−2 in 1.0 M KOH for HER and OER, respectively. Meanwhile, the VOx@NiFe/NiCoP/TM electrode also displays robustness and outstanding durability in alkaline medium. Serving as both anode and cathode electrocatalysts in a two-electrode water electrolytic cell, the bifunctional VOx@NiFe/NiCoP/TM electrodes only require a potential of 1.52 and 1.65 V to deliver the current densities of 10 and 50 mA cm−2 with excellent durability. This work provides a design of multilevel porous structure of bifunctional electrocatalysts for energy storage and conversion.

1.
C.
Qiu
,
L. H.
Ai
, and
J.
Jiang
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
6
,
4492
(
2018
).
2.
J. H.
Wang
,
W.
Cui
,
Q.
Liu
,
Z. C.
Xing
,
A. M.
Asiri
, and
X. P.
Sun
,
Adv. Mater.
28
,
215
(
2016
).
3.
Q. Q.
Sun
,
Y. J.
Dong
,
Z. L.
Wang
,
S. W.
Yin
, and
C.
Zhao
,
Small
14
,
1704137
(
2018
).
4.
I.
Dincer
and
C.
Acar
,
Int. J. Hydrogen Energy
40
,
11094
(
2015
).
5.
P.
Nikolaidis
and
A.
Poullikkas
,
Renewable Sustainable Energy Rev.
67
,
597
(
2017
).
6.
L. H.
Tian
,
X. D.
Yan
, and
X. B.
Chen
,
ACS Catal.
6
,
5441
(
2016
).
7.
Y. H.
Ding
,
H. Y.
Li
, and
Y.
Hou
,
Int. J. Hydrogen Energy
43
,
19002
(
2018
).
8.
Y. Q.
Gong
,
H. L.
Pan
,
Z. F.
Xu
,
Z.
Yang
,
Y.
Lin
, and
J. L.
Wang
,
Int. J. Hydrogen Energy
43
,
17259
(
2018
).
9.
H.
Dau
,
C.
Limberg
,
T.
Reier
,
S.
Roggan
, and
P.
Strasser
,
ChemCatChem
2
,
724
(
2010
).
10.
J. O. M.
Bockris
,
J. Chem. Phys.
24
,
817
(
1956
).
11.
J. C.
Manton
,
L.
Frayne
,
M. P.
Brandon
,
J. G.
Vos
,
M. T.
Pryce
, and
D.
Hidalgo
,
Int. J. Hydrogen Energy
43
,
18843
18849
(
2018
).
12.
J. S.
Li
,
Y.
Wang
,
C. H.
Liu
,
S. L.
Li
,
Y. G.
Wang
,
L. Z.
Dong
,
Z. H.
Dai
,
Y. F.
Li
, and
Y. Q.
Lan
,
Nat. Commun.
7
,
11204
(
2016
).
13.
C. C.
Wang
,
Z.
Yu
,
X. T.
Wang
, and
B.
Lin
,
Int. J. Hydrogen Energy
43
,
18992
(
2018
).
14.
C.
Xia
,
Q.
Jiang
,
H. N.
Alshareef
,
Q.
Jiang
,
C.
Zhao
,
M. N.
Hedhili
, and
H. N.
Alshareef
,
Adv. Mater.
28
,
77
(
2016
).
15.
B. H.
Zhang
,
H. X.
Wang
,
Z.
Zuo
,
H. S.
Wang
, and
J. T.
Zhang
,
J. Am. Chem. Soc.
32
,
15728
(
2018
).
16.
Y. W.
Liu
,
H.
Cheng
,
M. J.
Lyu
,
S. J.
Fan
,
Q. H.
Liu
,
W. S.
Zhang
,
Y. D.
Zhi
,
C. M.
Wang
,
C.
Xiao
,
S. Q.
Wei
,
B. J.
Ye
, and
Y.
Xie
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
15670
(
2014
).
17.
J.
Liang
,
Q.
Liu
,
T. H.
Li
,
Y. L.
Luo
,
S.
Lu
,
X.
Shi
,
F.
Zhang
,
A. M.
Asiri
, and
X. P.
Sun
,
Green Chem.
23
,
2834
(
2021
).
18.
X. R.
Gao
,
Y.
Yu
,
Q. R.
Liang
,
Y. J.
Pang
,
L. Q.
Miao
,
X. M.
Liu
,
Z. K.
Kou
,
J. Q.
He
,
S. J.
Pennycook
,
S.
Mu
, and
J.
Wang
,
Appl. Catal. B
270
,
118889
(
2020
).
19.
Y.
Cao
,
T.
Wang
,
X.
Li
,
L. C.
Zhang
,
Y. L.
Luo
,
F.
Zhang
,
A. M.
Asiri
,
e. J. M.
Hu
,
Q.
Liu
, and
X. P.
Sun
,
Inorg. Chem. Front.
8
,
3049
(
2021
).
20.
J.
Yin
,
P. P.
Zhou
,
P. X.
Xi
,
L.
An
,
L.
Huang
,
C. W.
Shao
,
J.
Wang
,
H. Y.
Liu
, and
P. X.
Xi
,
Nanoscale
8
,
1390
(
2016
).
21.
X.
Li
,
H. T.
Zhao
,
J.
Liang
,
Y. L.
Luo
,
G.
Chen
,
X. F.
Shi
,
S. Y.
Lu
,
S. Y.
Gao
,
J. M.
Hu
,
Q.
Liu
, and
X. P.
Sun
,
J. Mater. Chem. A
9
,
6650
(
2021
).
22.
F.
Song
and
X. L.
Hu
,
Nat. Commun.
5
,
4477
(
2014
).
23.
C.
Ye
,
L. C.
Zhang
,
L. C.
Yue
,
B.
Deng
,
Y.
Cao
,
Q.
Liu
,
Y. L.
Luo
,
S. Y.
Lu
,
B. Z.
Zheng
, and
X. P.
Sun
,
Inorg. Chem. Front.
8
,
3162
(
2021
).
24.
Y.
Zhang
,
H. R.
Guo
,
X. P.
Li
,
J.
Du
,
W. L.
Ren
, and
R.
Song
,
Chem. Eng. J.
404
,
126483
(
2021
).
25.
L. S.
Xie
,
R.
Zhang
,
L.
Cui
,
D. N.
Liu
,
S.
Hao
,
Y. J.
Ma
,
G.
Du
,
A. M.
Asiri
, and
X. P.
Sun
,
Angew. Chem. Int. Ed.
56
,
1064
(
2017
).
26.
Q.
Chen
,
R.
Wang
,
M. H.
Yu
,
Y. X.
Zeng
,
F. Q.
Lua
,
X. J.
Kuang
, and
X. J.
Kuang
,
Electrochim. Acta
247
,
666
(
2017
).
27.
T. T.
Le
,
X.
Liu
,
P. J.
Xin
,
Q.
Wang
,
C. Y.
Gao
,
Y.
Wu
,
Y.
Jiang
,
Z. J.
Hu
,
S. S.
Huang
, and
Z. W.
Chen
,
J. Mater. Sci. Technol.
74
,
168
(
2021
).
28.
L. A.
Stern
,
L. G.
Feng
,
F.
Song
, and
X. L.
Hu
,
Energy Environ. Sci.
8
,
2347
(
2015
).
29.
B. W.
Zhang
,
Y. H.
Lui
,
L.
Zhou
,
X. H.
Tang
, and
S.
Hu
,
J. Mater. Chem. A
5
,
13329
(
2017
).
30.
Z.
Liu
,
B.
Tang
,
X. C.
Gu
, and
L. G.
Feng
,
Chem. Eng. J.
395
,
125170
(
2020
).
31.
Y.
Lin
,
M. L.
Zhang
,
L. X.
Zhao
,
L. M.
Wang
,
D. L.
Cao
, and
Y. Q.
Gong
,
Appl. Surf. Sci.
536
,
147952
(
2021
).
32.
W. Q.
Wang
,
S. M.
Xi
,
Y. L.
Shao
,
W. H.
Sun
,
S. K.
Wang
,
J. F.
Gao
,
C. M.
Mao
,
X. S.
Guo
, and
G. C.
Li
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
7
,
17227
(
2019
).
33.
Y. B.
Li
,
X.
Tan
,
R. K.
Hocking
,
X.
Bo
,
H. J.
Ren
,
B.
Johannessen
,
S. C.
Smith
, and
C.
Zhao
,
Nat. Commun.
11
,
2720
(
2020
).
34.
Q. Q.
Sun
,
M.
Zhou
,
Y. Q.
Shen
,
L. Y.
Wang
,
Y.
Ma
,
Y. B.
Li
,
X.
Bo
,
Z. L.
Wang
, and
C.
Zhao
,
J. Catal.
373
,
180
(
2019
).
35.
A. P.
Wu
,
Y.
Xie
,
H.
Ma
,
C. G.
Tian
,
Y.
Gu
,
H. J.
Yan
,
X. M.
Zhang
,
G. Y.
Yang
, and
H. G.
Fu
,
Nano Energy
44
,
353
(
2018
).
36.
X.
Lu
and
C.
Zhao
,
Nat. Commun.
6
(
1
),
6616
(
2015
).
37.
B. H. R.
Suryanto
,
C. A.
Gunawan
,
X.
Lu
, and
C.
Zhao
,
Electrochim. Acta
81
,
98
(
2012
).
38.
Q. Q.
Sun
,
L. Y.
Wang
,
Y. Q.
Shen
,
M.
Zhou
,
Y.
Ma
,
Z. L.
Wang
, and
C.
Zhao
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
6
,
12746
(
2018
).
39.
Y. J.
Li
,
K.
Dastafkan
,
Q. Q.
Sun
,
Y.
Ma
,
X. H.
Wang
,
X. Y.
Yang
,
Z. L.
Wang
, and
C.
Zhao
,
Electrochim. Acta
379
,
138042
(
2021
).
40.
U. M.
Patil
,
J. S.
Sohn
,
S. B.
Kulkarni
,
S. C.
Lee
,
H. G.
Park
,
K. V.
Gurav
,
J. H.
Kim
, and
S. C.
Jun
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
2450
(
2014
).
41.
W.
Xiong
,
Q. D.
Zhao
,
X. Y.
Li
, and
L. Z.
Wang
,
Part. Part. Syst. Charact.
33
,
602
(
2016
).
42.
J.
Jiang
,
A. L.
Zhang
,
L. L.
Li
, and
L. H.
Ai
,
J. Power Sources
278
,
445
(
2015
).
43.
G.
Silversmit
,
D.
Depla
,
H.
Poelman
,
G. B.
Marin
, and
R. D.
Gryse
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
135
,
167
(
2004
);
Y.
Yu
,
P.
Li
,
X.
Wang
,
W.
Gao
,
Z.
Shen
,
Y.
Zhu
,
S.
Yang
,
W.
Song
, and
K.
Ding
,
Nanoscale
8
,
10731
(
2016
).
[PubMed]
44.
P. S.
Li
,
X. X.
Duan
,
Y.
Kuang
,
Y. P.
Li
,
G. X.
Zhang
,
W.
Liu
, and
X. M.
Sun
,
Adv. Energy Mater.
8
,
1703341
(
2018
).
45.
X. D.
Yan
,
L. H.
Tian
,
K. X.
Li
,
S.
Atkins
,
H. F.
Zhao
,
J.
Murowchick
,
L.
Liu
, and
X. B.
Chen
,
Adv. Mater. Interfaces
3
,
1600368
(
2016
).
46.
J.
Cai
,
J.
Xu
,
J.
Wang
,
J. M.
Wang
,
L. Y.
Zhang
,
H.
Zhou
,
Y.
Zhong
,
D.
Chen
,
H.,Q.
Fan
,
H. B.
Shao
,
J. Q.
Zhang
, and
C.
Cao
,
Int. J. Hydrogen Energy
38
,
934
(
2013
).
47.
D.
Gao
,
R. J.
Liu
,
J.
Biskupek
,
U.
Kaiser
,
Y. F.
Song
, and
C.
Streb
,
Angew. Chem.
131
,
4692
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.