国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

研究背景

電化學(xué)水裂解法(2H₂O→2H₂ + O₂)可以產(chǎn)生H₂，其主要包括析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)兩個(gè)基本過(guò)程。水裂解的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，是提高其能量效率，這需要對(duì)HER和OER機(jī)理有基本的了解，為降低過(guò)電位來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，提供合理的指導(dǎo)。

為了闡明這一機(jī)理，人們對(duì)水裂解反應(yīng)的反應(yīng)物，進(jìn)行了大量的研究。傳統(tǒng)上認(rèn)為，在酸性條件下的反應(yīng)物為H⁺，在堿性條件下的反應(yīng)物為H₂O，即在酸性條件下為2H⁺+2e^–→H₂，在堿性條件下為2H₂O + 2e^–→H₂ + 2OH^–；酸性O(shè)ER為H₂O，堿性O(shè)ER為OH^–，酸性O(shè)ER為2H₂O→O₂ + 4H⁺ + 4e^–，堿性O(shè)ER為4OH^–→O₂ + 2H₂O + 4e^–。這種對(duì)反應(yīng)物的傳統(tǒng)理解可能是有爭(zhēng)議的，因?yàn)樵趬A性條件下的反應(yīng)式，是通過(guò)在酸性條件下的反應(yīng)式兩邊同時(shí)加入兩個(gè)OH得到的。因此，需要實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)驗(yàn)證水裂解反應(yīng)的反應(yīng)物。

對(duì)水裂解反應(yīng)中反應(yīng)物的認(rèn)知，對(duì)于揭示HER和OER機(jī)理至關(guān)重要，但著仍然是一個(gè)難以捉摸的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須找到一個(gè)策略，為HER單獨(dú)調(diào)整與H⁺或H₂O有關(guān)的參數(shù)；對(duì)應(yīng)的OER為OH^?或H₂O。

為此，來(lái)自南洋理工大學(xué)的徐梽川等研究者，利用磁場(chǎng)對(duì)HER中的質(zhì)子輸運(yùn)和OER中的氫氧離子輸運(yùn)，進(jìn)行了研究，并探討了磁場(chǎng)對(duì)HER和OER中反應(yīng)物的影響。相關(guān)論文以題為“The possible implications of magnetic field effect on understanding the reactant of water splitting”于2021年04月01日發(fā)表在Chinese Journal of Catalysis上。

磁場(chǎng)是一種改變離子等帶電物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的工具，例如，在Cu電沉積過(guò)程中，磁場(chǎng)改善了Cu²⁺在電極附近的遷移。然而，在不同的pH值下，施加磁場(chǎng)并不影響HER或OER速率，這對(duì)傳統(tǒng)的認(rèn)為帶電物質(zhì)(如質(zhì)子和氫氧根離子)作為反應(yīng)物的觀點(diǎn)，提出了挑戰(zhàn)。這種HER和OER對(duì)磁場(chǎng)的異常響應(yīng)，以及質(zhì)子和氫氧根離子的輸運(yùn)遵循Grotthuss機(jī)制的事實(shí)，共同表明：水可以作為HER和OER在不同pH值下的通用反應(yīng)物。

本研究有助于認(rèn)識(shí)，水可能是HER和OER中的反應(yīng)物，也可能是其他電催化反應(yīng)中的質(zhì)子化和去質(zhì)子化步驟。如果一個(gè)模型只關(guān)注帶電物質(zhì)，而忽略了以水為主導(dǎo)物質(zhì)的整個(gè)電解質(zhì)相的復(fù)雜性，可能并不能合理地反映，水電解質(zhì)中HER和OER的電化學(xué)性質(zhì)。

圖1 在電化學(xué)測(cè)量中應(yīng)用磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖

圖2 相關(guān)磁場(chǎng)下的測(cè)量和測(cè)試

圖3 在0.5 M H₂SO₄ + 0.5 M CuSO₄溶液中，在多晶Cu電極上電沉積Cu的CA，外加電位為0.4 V vs. RHE

圖4 在不同pH值(0.1 M HClO₄, 0.1 M KHCO₃和0.1 M KOH)的電解質(zhì)中，商業(yè)Pt/C (40 wt%，Premetek)下HER的正向極化曲線(a)和CA (b)

圖5 在不同pH值的電解質(zhì)中：0.1 M HClO₄, 0.1 M KHCO₃和0.1 M KOH，商業(yè)IrO₂中OER的CV (a)和CA (b)

圖6 質(zhì)子(a)和氫氧根離子(b)在水中沿著氫鍵網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉rotthuss機(jī)制示意圖

無(wú)獨(dú)有偶，徐梽川和其合作者——中國(guó)科學(xué)院物理研究所的楊海濤，于2021年5月10日又在《Nature Communications》上刊發(fā)一篇有關(guān)磁場(chǎng)對(duì)OER反應(yīng)的調(diào)控，題目為“Spin-polarized oxygen evolution reaction under magnetic field”。

析氧反應(yīng)(OER)，是制約水分解效率的瓶頸。這個(gè)過(guò)程包括四個(gè)電子的轉(zhuǎn)移和單重態(tài)物質(zhì)(OH^–或H₂O)產(chǎn)生的三重態(tài)O₂。近年來(lái)，顯式自旋選擇，被認(rèn)為是在堿性條件下，促進(jìn)OER的一種可能的方法，但具體的自旋極化動(dòng)力學(xué)尚不清楚。

在此文中，研究者報(bào)道了鐵磁CoFe₂O₄催化劑在磁場(chǎng)作用下的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)變化。鐵磁CoFe₂O₄催化劑，在磁場(chǎng)作用下起自旋極化作用。研究者發(fā)現(xiàn)，在自旋角動(dòng)量守恒的原理下，OER的自旋極化動(dòng)力學(xué)始于電子轉(zhuǎn)移的第一步，在這一步中，鐵磁催化劑和被吸附的氧(反應(yīng)物)之間發(fā)生了鐵磁交換。在無(wú)磁場(chǎng)條件下，CoFe₂O₄的Tafel斜率相等，約為120 mV/decade，說(shuō)明第一個(gè)電子轉(zhuǎn)移步驟是速率決定步驟(RDS)，在RDS之前沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移。在磁場(chǎng)作用下，Tafel斜率減小到約90 mV/decade，表明電子轉(zhuǎn)移數(shù)為~0.5，且包含第1電子轉(zhuǎn)移步和第2電子轉(zhuǎn)移步的混合RDS。在相同條件下，沒(méi)有鐵磁性排列的催化劑不能觀察到這種現(xiàn)象。結(jié)果表明，自旋極化OER的關(guān)鍵步驟是OER的電子轉(zhuǎn)移第一步，在磁場(chǎng)作用下，通過(guò)交換跳變促進(jìn)自旋極化過(guò)程。因此，第一次電子轉(zhuǎn)移不再是RDS。在促進(jìn)的自旋極化鐵磁電子交換后，被吸附的O物質(zhì)會(huì)在固定的自旋方向上整體沉降。由于洪特規(guī)則和泡利不相容原理，后續(xù)的電子轉(zhuǎn)移需要自發(fā)地進(jìn)行自旋極化，最終導(dǎo)致三重態(tài)氧的產(chǎn)生。

圖1 自旋極化促進(jìn)OER

圖2 CoFe₂O₄表面無(wú)重構(gòu)

圖3 不同溫度下的OER

圖4 自旋極化的OER

圖5 對(duì)MOR和EGOR無(wú)影響

圖6 梯度磁場(chǎng)、剩磁和退磁的影響

總結(jié)展望

綜上所述，這兩項(xiàng)研究共同揭示了，外磁場(chǎng)對(duì)OER或HER活性的影響，從而為磁場(chǎng)調(diào)控OER或HER的過(guò)程，提供了新思路。而在此前，磁場(chǎng)對(duì)OER或HER的影響，人們知之甚少。

或許，此類研究，才剛剛開(kāi)始……

參考文獻(xiàn)

Chao Wei, Zhichuan J. Xu.?The possible implications of magnetic field effect on understanding the reactant of water splitting.?Chin. J. Catal., 2021, 42: 0–0 doi: 10.1016/S1872‐2067(21)63821‐4

Ren, X., Wu, T., Sun, Y.?et al.?Spin-polarized oxygen evolution reaction under magnetic field.?Nat Commun?12,?2608 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22865-y

www.sciencedirect.com/journal/chinese‐journal‐of‐catalysis

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22865-y#citeas

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/16/d6552758b5/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

突破思維中的“墻”！看磁場(chǎng)如何影響HER或OER

相關(guān)推薦

突破思維中的“墻”！看磁場(chǎng)如何影響HER或OER