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?石大AFM：Ni/Co雙原子位點(diǎn)的鄰近電子效應(yīng)協(xié)同促進(jìn)電催化氧還原和析氫

隨著傳統(tǒng)化石燃料的短缺和環(huán)境污染的加劇，開發(fā)可持續(xù)的、清潔的替代能源勢在必行。金屬-空氣電池和電解水技術(shù)因其能量轉(zhuǎn)換效率高、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是綠色和可再生能源生產(chǎn)和儲存的關(guān)鍵技術(shù)。氧還原反應(yīng)（ORR）和析氫反應(yīng)（HER）是金屬-空氣電池和電解水的核心反應(yīng)，但在現(xiàn)有技術(shù)中，它們的動力學(xué)緩慢，阻礙了能量轉(zhuǎn)換效率的提高。因此，需要適當(dāng)?shù)碾?span id="r3phvez" class="wpcom_tag_link">催化劑來降低反應(yīng)的能壘，促進(jìn)反應(yīng)動力學(xué)。到目前為止，Pt基催化劑仍然是最優(yōu)異的催化劑，但其成本高、穩(wěn)定性差、儲存量低嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)高性能、穩(wěn)定的非貴金屬基ORR和HER電催化劑，達(dá)到與Pt基催化材料相當(dāng)甚至更好的水平迫在眉睫。

中國石油大學(xué)（華東）潘原等人提出了一種Ni/Co雙原子位點(diǎn)（DASs）的鄰近電子效應(yīng)（PEE），Ni/Co雙原子被固定在 N 摻雜的碳（N-C）上（NiCo DASs/N-C），用于協(xié)同促進(jìn)電催化ORR和HER。

NiCo DASs/N-C電催化劑在堿性和酸性溶液中表現(xiàn)出優(yōu)異的半波電位（0.880和0.754 V），遠(yuǎn)高于單一金屬催化劑Ni SAs/N-C（0.716和0.618 V）和Co SAs/N-C（0.746和0.661 V），在堿性電解質(zhì)中NiCo DASs/N-C和Co SAs/N-C半波電位的差距，說明相鄰的Ni-N₄位點(diǎn)對促進(jìn)Co-N₄位點(diǎn)的ORR動力學(xué)有顯著的作用。除了優(yōu)異的ORR活性外，NiCo DASs/N-C也表現(xiàn)出優(yōu)異的HER活性。

與Ni SAs/N-C（579和598 mV）和Co SAs/N-C（587和560mV）相比，NiCo DAS/N-C在堿性和酸性條件下只需要更低的189和260mV 的過電位就能達(dá)到10 mA cm^-2的電流密度。通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極實(shí)驗(yàn)，對NiCo DAS/N-C的ORR過程進(jìn)行了研究。在比Pt/C催化劑低0.2至0.9 V的電位范圍內(nèi)，NiCo DASs/N-C的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為3.9-4，表明NiCo DASs/N-C催化的ORR過程是從O₂到H₂O的高選擇性四電子還原過程。

加入甲醇后NiCo DASs/N-C的相對電流略有變化，而商用 Pt/C的下降幅度更大，表明NiCo DASs/N-C的甲醇耐受性優(yōu)于 Pt/C。此外，通過循環(huán)伏安測試和計(jì)時電位測試還表明NiCo DASs/N-C在堿性和酸性電解質(zhì)中具有出色的穩(wěn)定性。

原位表征結(jié)果表明，Co-N₄是O₂吸附活化過程的主要活性位點(diǎn)，促進(jìn)了關(guān)鍵^*OOH的形成和^*OH中間體的脫附，從而加速了多電子反應(yīng)動力學(xué)。理論計(jì)算表明，相鄰Ni-N₄位點(diǎn)可以有效調(diào)節(jié)鄰近Co-N₄位點(diǎn)的電子，促進(jìn)Co-N₄位點(diǎn)上的^*OH脫附和^*H吸附，從而顯著促進(jìn)ORR和HER過程。本研究為設(shè)計(jì)高效的雙功能電催化劑提供了指導(dǎo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

Proximity Electronic Effect of Ni/Co Diatomic Sites for Synergistic Promotion of Electrocatalytic Oxygen Reduction and Hydrogen Evolution, Adv. Funct. Mater., 2022, DOI：10.1002/adfm.202210867.

https://doi.org/10.1002/adfm.202210867

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