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析氧反應(yīng)(OER)在可充鋅-空氣電池(r-ZABs)和電催化水分解(EWS)中起著重要作用。OER涉及動(dòng)力學(xué)緩慢和高過電位的四電子轉(zhuǎn)移過程，嚴(yán)重影響器件的能量轉(zhuǎn)換效率。目前，RuO₂和IrO₂是OER最先進(jìn)的電催化劑，但是它們的稀缺性、高成本和低耐久性嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)廉價(jià)的非貴金屬基OER電催化劑來替代貴金屬催化劑。

由于獨(dú)特的雜化d軌道，Co₃O₄基材料具有適當(dāng)?shù)腍O-H鍵斷裂能壘，并且在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，被認(rèn)為是OER最有希望的非貴金屬基電催化劑之一。但是，受效能的限制，單個(gè)Co₃O₄的OER電活性仍然無法與RuO₂和IrO₂相比。界面工程是優(yōu)化Co₃O₄電子構(gòu)型和提高OER效能的有效途徑。然而，如何在界面上構(gòu)建豐富可及的活性位點(diǎn)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

近日，暨南大學(xué)王楠、李希波和華南理工大學(xué)黎立桂等通過簡(jiǎn)單的化學(xué)氣相沉積法成功地制備了FeO_x納米粒子(NCs)表面修飾的Co₃O₄中空納米盒(Fe-Co₃O₄ NBs)作為OER電催化劑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的Fe-Co₃O₄ NBs表現(xiàn)出優(yōu)異的OER電催化活性，其在10 mA cm^?2電流密度下處的過電位僅為265 mV，Tafel斜率為54.2 mV dec^?1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于IrO₂(292 mV和61.7 mV dec^?1)，甚至可以與目前報(bào)道的先進(jìn)OER催化劑相媲美。此外，F(xiàn)e-Co₃O₄ NBs還具有顯著的穩(wěn)定性，在10 mA cm^?2電流密度下可以穩(wěn)定工作45小時(shí)而未發(fā)生明顯的活性下降。

理論計(jì)算表明，F(xiàn)e-Co₃O₄ NBs的高電活性和穩(wěn)定性主要來源于以下幾個(gè)方面：

1.空心納米盒結(jié)構(gòu)可以提高電化學(xué)活性位點(diǎn)的暴露，從而提供更多的活性位點(diǎn)；

2.FeO_x納米粒子集中在Co₃O₄ NBs表面，可以構(gòu)建更可及的原子尺度的活性界面，從而加速反應(yīng)中間體的吸附；

3.FeO_x納米粒子誘導(dǎo)Co₃O₄中Co位點(diǎn)的d中心下移，從而降低速率決定步驟的能壘，加速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；

4.Fe-Co₃O₄ NBs在堿性環(huán)境下具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，從而保證其在長(zhǎng)期測(cè)試中的耐久性。

綜上，該項(xiàng)工作通過界面工程顯著提升了Co₃O₄基催化劑界面上活性位點(diǎn)的活性和可及性，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開發(fā)高效、低成本的Co基OER電催化劑提供了指導(dǎo)。

Preparing iron oxide clusters surface modified Co₃O₄ nanoboxes by chemical vapor deposition as an efficient electrocatalyst for oxygen evolution reaction. Energy Storage Materials, 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103236

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