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在電催化水分解反應中，陽極析氧反應(OER)和陰極析氫反應(HER)的緩慢動力學導致巨大的能量損失，這阻礙了水分解的實際工業應用。此外，由于在水電解過程中質子濃度不可避免地發生變化，需要理想的催化劑在廣泛的pH條件下工作良好并保持穩定，從而使電催化過程更加節能和高效。因此，設計經濟高效的pH通用雙功能電催化劑來實現水的整體分解非常重要。

基于此，安徽師范大學張小俊課題組設計并合成了一種核殼結構(CuS@MoSe₂)，它將超薄的MoSe₂納米片包覆在CuS中空納米盒上，形成開放的p-n結結構。

空間電荷效應將極大地改善p-n結區域的電子傳質和傳導，同時CuS@MoSe₂還具有豐富的活性界面，可作為全pH值高效電催化劑進行整體水分解。當電解質溶液為0.5 M H₂SO₄時，CuS@MoSe₂在10 mA cm^-2電流密度下的HER過電位只有49 mV，并且在10 mA cm^-2處的OER過電位也僅為236 mV；在1 M KOH中，CuS@MoSe₂在10 mA cm^-2電流密度下的HER和OER過電位分別為72 mV和219 mV；在PBS中，CuS@MoSe₂在10 mA cm^-2電流密度下的HER和OER過電位分別為62 mV和230 mV。

實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明，所合成的CuS@MoSe₂中的p-n結具有很強的協同效應，這個空間電荷效應區域將導致MoSe₂在空間電荷區帶正電以顯著促進OER過程，帶負電的CuS可以顯著促進HER過程。

此外，內建場可以加速電子傳輸，在電催化過程中形成空間電荷區，穩定CuS@MoSe₂中p-n結的帶電活性中心并保持催化劑穩定，并且可以優化催化劑活性中心與反應中間體的結合強度，以提高其電催化性能。這項工作不僅提供了制備在廣泛的pH條件下高效工作的電催化劑的策略，而且還提供了對半導體異質結應用和調節活性位點電子結構的理解。

Deciphering the Space Charge Effect of the p-n Junction between Copper Sulfides and Molybdenum Selenides for Efficient Water Electrolysis in a Wide pH Range. ACS Nano, 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c07255

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張小俊ACS Nano: CuS和MoSe2之間的空間電荷效應，助力寬pH范圍內高效水電解

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