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第一作者：朱浩杰

通訊作者：楊誠，支春義

通訊單位：清華大學深圳國際研究生院，香港城市大學

楊誠，清華大學深圳國際研究生院材料研究院長聘副教授，博士生導師。研究領域：納米材料形態調控學、先進能源材料、先進電子材料。已承擔國家自然科學基金委員會項目、國家科技部高端人才項目、廣東省科技廳項目、湖南省發展和改革委員會項目、深圳市科技創新委員會項目等40多個科研項目。（信息來源：https://www.sigs.tsinghua.edu.cn/yc/）

支春義，香港城市大學材料科學與工程系教授，香港青年科學院院士、英國皇家化學會會士、Clarivate高被引研究員（2019-2022，材料科學）和RGC高級研究員。主要研究方向為BCN納米結構的性質研究。（信息來源：http://www.comfortablenergy.net/）

論文速覽

開發基于高豐度海洋元素（例如F^?、Cl^?和Br^?）的新型陰離子電池系統是當前金屬陽離子（例如Li⁺、Na⁺）電池技術的有力補充。鉍（Bi）作為陰離子特異性的負極材料，因其在體積膨脹和結構坍塌方面存在問題，限制了在氯離子存儲中的應用。

本研究揭示了單晶Bi納米球（R3m群）中獨特的類外延轉換機制，這種機制通過Cl^?嵌入在夾層空間實現，顯著抑制了顆粒粉碎和容量衰減。Bi納米球負極在初次轉化反應后能自發展轉變為堅固的BiOCl納米片交織結構。

該Bi負極展示了創紀錄的高容量249 mAh g^?1（約1.2 mAh cm^?2），在0.25 C下可維持超過1400小時，僅損失20%的容量。當與普魯士藍正極配對時，全電池能提供127.1 mgCl gBi^?1的超高容量。本研究為理解轉化型負極結構奠定了里程碑，是水系電池商業化的重要一步。

圖文導讀

圖1：R3m型Bi的氯化機制和結構設計原理。

圖2：單晶R3m型Bi納米球的分階段結構和反應分布。

圖3：轉化反應機制的研究及非原位拉曼光譜分析。

圖4：Bi納米球電極在水系氯離子電池中的Cl存儲性能。

圖5：電化學工作原理、電池壽命和能量回收。

總結展望

本研究通過揭示Bi納米球中獨特的類外延轉換機制，為解決轉化型電池化學中的體積膨脹和顆粒粉碎問題提供了新的解決途徑。R3m型Bi負極展現出的高容量和長期穩定性，以及在脫鹽電池中的應用潛力，為可持續水系電池的發展開辟了新的機會。

未來研究中，類外延轉換機制有望擴展到具有大層間距的金屬或雙金屬負極的離子插層系統中，為高性能可充電電池的發展提供新思路。

文獻信息

標題：Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c05337

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