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氫能由于在節約能源和減少排放方面的有效性，正在成為一種重要的清潔能源。電化學分解水是一種很有前途且可持續發展的制氫方法。目前，盡管Pt基催化劑在降低HER的過電位方面具有優異的活性，但是它們的稀缺性和成本方面的局限性阻礙了其大規模的應用。

釕(Ru)作為一種廉價的金屬，具有與Pt相當的電解水能壘，因此受到了相當大的關注。實際上，OH中間體在Ru上的強烈吸附常常導致活性Ru位點的覆蓋，從而阻礙了水的再吸附。此外，關于Ru-OH吸附能對堿性HER反應動力學的調控作用的報道相對較少。因此，特別是在大電流密度下，可以通過調節Ru的OH吸附環境來促進連續析氫。

近日，太原理工大學李晉平、劉光和懷柔實驗室山西研究院孫予罕等報道了Ni單原子修飾的超小Ru納米粒子結構(UP-RuNi_SAs/C)在連續高電流密度和pH通用制氫中的應用。具體而言，由于鎳(Ni)作為Pt的同源過渡金屬元素具有催化HER的潛力，因此被選為設計催化劑的第二堿金屬。在密度泛函理論(DFT)計算中，研究人員分別引入了Ni_SAs和Ni納米粒子，比較了它們在Ru納米晶載體上的吸附和熱力學效應。

理論計算表明，Ni_SAs對OH_ad的吸附能力弱于Ni金屬納米粒子，因此在Ru納米晶體系中引入Ni_SAs可以顯著降低Ru晶體對OH_ad的吸附能。此外，缺陷碳的碳橋效應促進了OH電荷在Ni和Ru之間的再分配，減弱了OH_ad在Ru上的吸附。

受上述理論預測的啟發，研究人員采用單極性脈沖電沉積(UPED)技術在Ni_SAs錨定的缺陷碳上沉積了超小的Ru納米顆粒。與連續恒電位沉積制備RuNi合金納米顆粒(CP-RuNi/C)不同，UPED有效地降低了濃差極化效應，允許通過周期性脈沖沉積精確控制固定在缺陷碳上的少量Ni_SAs的合成。在1.0 M KOH溶液中，優化后的UP-RuNi_SAs/C電催化劑在10 mA cm^?2和1000 mA cm^?2電流密度下的HER過電位分別為9 mV和253 mV，并且該材料能夠在3000 mA cm^?2的較高電流密度下連續運行100小時，反應過程中沒有發生明顯活性下降。

此外，以UP-RuNi_SAs/C催化劑為陰極組裝的AEM電解槽僅需1.95 V的電壓就能達到1 A cm^?2的電流密度，并能夠在該電流密度下連續穩定運行250小時。綜上，該項工作不僅為有效的單原子位點的協調設計提供了新的方法，而且還突出了精確設計催化劑結構以滿足強電流水電解要求的重要性。

Stable hydrogen evolution reaction at high current densities via designing the Ni single atoms and Ru nanoparticles linked by carbon bridges. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46553-9

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Nature子刊：碳橋連接Ni單原子和Ru納米粒子，實現高電流下穩定催化HER

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