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?蘇大/柏林工大Small：碳點與Co-ZIF納米陣列原位耦合實現(xiàn)高效析氧

堿性電解水制氫因其綠色、可持續(xù)性以及與太陽能和風(fēng)能相結(jié)合的可行性而備受關(guān)注。然而電解水過程中的陽極析氧反應(yīng)(OER)涉及四電子轉(zhuǎn)移過程，嚴(yán)重降低了電解效率。已經(jīng)有研究發(fā)現(xiàn)IrO₂和RuO₂等貴金屬基氧化物可以加快OER效率，但貴金屬的稀缺性和高成本大大限制了其廣泛應(yīng)用。在此背景下，在過去的幾年中，人們做出了巨大的努力：將過渡金屬(TM，如Mn，F(xiàn)e，Co和Ni)基化合物開發(fā)成廉價、高效和穩(wěn)定的OER電催化劑，其中一些已顯示出在實際應(yīng)用方面的潛力。

蘇州大學(xué)陳子亮和康振輝以及柏林工業(yè)大學(xué)Prashanth W. Menezes(共同通訊)等人利用碳布(CC)并將碳點(CDs)原位插入到鈷基沸石咪唑骨架(Co-ZIF)納米片陣列(Co-ZIF/CDs/CC)中，構(gòu)建了一種獨特的異質(zhì)復(fù)合催化劑。

利用標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)測試了Co-ZIF/CDs/CC在1.0 M KOH電解質(zhì)中的電催化OER性能，同時測試了Co-ZIF/CC、RuO₂、CC和CDs/CC的OER活性。Co-ZIF/CDs/CC在過電位僅為226 mV時達到了10 mA cm^-2的電流密度，低于Co-ZIF/CC(256 mV)和CDs/CC(326 mV)。

值得注意的是，在100 mA cm^-2的電流密度下，Co-ZIF/CDs/CC只需要401 mV的過電位，這顯著低于Co-ZIF/CC(461 mV)，表明CDs顯著增強了催化劑的OER活性。此外，還測試了商用RuO₂沉積在CC上(RuO₂/CC)和純CC的OER性能，Co-ZIF/CDs/CC的OER性能與RuO₂/CC相當(dāng)并且Co-ZIF/CDs/CC的OER性能在最近報道的以CC作為基底的MOF電催化劑中也處于最高水平。

值得注意的是，純CC表現(xiàn)出較差的OER活性，這意味著它們對復(fù)合材料的OER活性貢獻很小。另一方面，與Co-ZIF/CC(214 mV dec^-1)和CDs/CC(272 mV dec^-1)相比，Co-ZIF/CDs/CC具有更小的Tafel斜率(147 mV dec^-1)。以上結(jié)果強烈表明，在一定電位范圍內(nèi)，CDs在改善催化劑的OER反應(yīng)動力學(xué)方面具有積極作用。

基于表面、相和電子的一系列表征揭示了CDs誘導(dǎo)Co-ZIF的比表面積、電荷轉(zhuǎn)移能力和物理缺陷的增強，有利于金屬位點的暴露、質(zhì)量擴散能力的提升以及配位不飽和金屬位點的生成，從而促進OER過程中Co-ZIF向非晶COOH活性相的轉(zhuǎn)變。有趣的是，CDs仍然可以與重構(gòu)的COOH相很好地耦合，這可能會進一步優(yōu)化催化劑的OER性能。

此外，二維納米陣列和無粘結(jié)劑的電極設(shè)計也有助于OER性能的提高。值得注意的是，與MOF材料本身相比，MOF衍生物通常具有更高的電導(dǎo)率，這將有利于電化學(xué)反應(yīng)過程中的電荷轉(zhuǎn)移，從而提高性能。然而，對MOF進行后處理(例如高溫退火或溶劑熱反應(yīng))以獲得相應(yīng)的MOF衍生物不可避免地導(dǎo)致孔隙的嚴(yán)重?fù)p失和表面積的顯著減少，這降低了MOF的本征優(yōu)勢。在這方面，本文的研究結(jié)果也證明了直接利用純MOF或與MOF相關(guān)的復(fù)合材料進行電解的巨大潛力，同時豐富了先進的過渡金屬基電催化劑材料體系，并為合理設(shè)計高性能OER電催化劑開辟了一條道路。

In situ coupling of carbon dots with Co-ZIF nanoarrays enabling highly efficient oxygen evolution electrocatalysis, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202206723.

https://doi.org/10.1002/smll.202206723.

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