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?同濟(jì)/柏林工大/馬普所Nat. Commun.：Ir-Co3O4高效的催化酸性條件下的OER

設(shè)計(jì)出活性穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效的酸性析氧電催化劑是研制質(zhì)子交換膜水電解槽的關(guān)鍵?；诖?，同濟(jì)大學(xué)馬吉偉教授、德國柏林工業(yè)大學(xué)Peter Strasser和德國馬普固體化物所胡志偉教授（共同通訊作者）等人報道了一種簡單而經(jīng)濟(jì)的策略，通過機(jī)械化學(xué)方法制備原子分散的Ir原子摻雜在尖晶石Co₃O₄（Ir-Co₃O₄）中。通過引入微量Ir（~1.05 at%），Ir-Co₃O₄在酸性介質(zhì)中電流密度為10 mA cm^-2時，OER過電位顯著降低至236 mV，明顯低于Co₃O₄（412 mV）。在過電位為300 mV時，Ir-Co₃O₄的歸一化質(zhì)量活度和TOF均比商用IrO₂高近兩個數(shù)量級。同時，在Co₃O₄晶格中加入Ir單原子后，穩(wěn)定性更久。

通過DFT計(jì)算，作者研究了OER的機(jī)理及其對Ir-Co₃O₄的協(xié)同作用。Ir-Co₃O₄上的電荷密度差表明，Ir摻入Co₃O₄可有效地調(diào)節(jié)電荷的再分配，Ir原子傾向于失去電子，離域電子聚集在鄰近Ir-O鍵周圍。

此外，Ir-Co₃O₄的d-帶中心位置高于Co₃O₄，d-帶中心的正移有利于催化劑表面與吸附體之間的相互作用。預(yù)測態(tài)密度（pDOS）表明，Ir的引入在Ir-Co₃O₄中產(chǎn)生了新的雜化電子態(tài)，導(dǎo)致在費(fèi)米能級附近的總態(tài)密度（TDOS）變寬，而Co₃O₄的TDOS顯示出帶隙，表明Ir單原子的引入使Co₃O₄具有金屬性質(zhì)，比Co₃O₄具有更好的電子導(dǎo)電性，從而加快OER動力學(xué)。

通過對Co 3d、O 2p和Ir 5d pDOS的檢驗(yàn)，作者研究了Ir原子與Co₃O₄的協(xié)同作用，觀察到pDOS中Ir 5d軌道與Co 2p軌道有很大的重疊，表明Co與Ir原子之間具有強(qiáng)相互作用和更多共價性。作者首先計(jì)算了Ir位的電位決定步驟（PDS），結(jié)果表明Ir-Co₃O₄和IrO₂的極限步驟都發(fā)生在O*到OOH*的轉(zhuǎn)換上。它們對應(yīng)的PDS值分別為0.288 eV和0.378 eV，表明Ir-Co₃O₄具有較低的能壘和較好的OER性能。

此外，Co位上的計(jì)算表明，Co₃O₄上的PDS主要來源于H₂O向OH*的轉(zhuǎn)變，勢壘為1.31 eV。在Ir-Co₃O₄上，隨著OOH*的形成，PDS發(fā)生變化，相應(yīng)的能壘進(jìn)一步降低至1.11 eV，突出了Ir單位點(diǎn)對OER的促進(jìn)作用。

Iridium single atoms incorporated in Co₃O₄ efficiently catalyze the oxygen evolution in acidic conditions. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-35426-8.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-35426-8.

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