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ACS Catalysis:Ni/Co/V三元協(xié)同調(diào)控反應(yīng)途徑,尿素高效電催化氧化!

ACS Catalysis:Ni/Co/V三元協(xié)同調(diào)控反應(yīng)途徑,尿素高效電催化氧化!

通訊作者:李軼,劉佳

第一作者:紀(jì)之驕

成果簡(jiǎn)介

近年來(lái),面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題,通過(guò)電催化方式實(shí)現(xiàn)小分子轉(zhuǎn)化,如電催化尿素制氫氣,具有非凡的意義。尿素,無(wú)毒且來(lái)源廣泛,電氧化(UOR)的理論電位較低,有望成為制氫的有效途徑。

在過(guò)去的研究中,催化劑活性和穩(wěn)定性一直是限制其發(fā)展的重要因素。對(duì)此,天津大學(xué)胡文平,李軼和劉佳團(tuán)隊(duì)等人針對(duì)尿素與材料的相互作用、尿素分子中C-N鍵的活化以及分子碎片對(duì)活性位點(diǎn)的毒化等問(wèn)題,開(kāi)發(fā)出三元協(xié)同催化劑(Co、V和NiS2),相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS catalysis。
ACS Catalysis:Ni/Co/V三元協(xié)同調(diào)控反應(yīng)途徑,尿素高效電催化氧化!

圖文導(dǎo)讀

研究人員采用兩步水熱法成功合成相關(guān)金屬硫化物,掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和能譜(Mapping)等結(jié)果表明,使用不同前驅(qū)體會(huì)影響催化劑尺寸進(jìn)而影響其利用率,但并不影響三元結(jié)構(gòu)(NCVS)的形成。

ACS Catalysis:Ni/Co/V三元協(xié)同調(diào)控反應(yīng)途徑,尿素高效電催化氧化!

圖1 (a)NCS,NVS和NCVS的制備過(guò)程;(b)NCVS-3的SEM、(c)TEM、(d)HRTEM圖像和(e)SAED圖;(f)NCVS-3的SEM圖像和相應(yīng)元素(Ni、Co、V和S)的分布圖。
X射線(xiàn)粉末衍射(P-XRD)、拉曼光譜和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)等表征技術(shù),進(jìn)一步證實(shí)了Co和V元素的成功摻雜。此外,光電子能譜(XPS)結(jié)果顯示,V元素的存在,增加了Co3+的比例,起到了接收電子(from Ni to Co,further to V)的作用,從而提高Ni和Co的UOR性能。

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圖2 (a)H3BTC、N-BTC和一系列NCV-BTC的紅外光譜圖;(b)NS、NCS-6、NVS-1和一系列NCVS的XRD譜圖和(c)拉曼光譜圖;高分辨率XPS光譜圖:(d)NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3的Ni 2p圖;(e)NCS-6和NCVS-3的Co 2p3/2圖;(f)NVS-1和NCVS-3的V 2p3/2圖;(g)NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3的S 2p圖和(h)O 1s圖;(i)NCVS-3中Ni、Co和V之間的電子耦合示意圖。
在接下來(lái)的電化學(xué)氧化性能測(cè)試中,不出意外,NCVS-3展現(xiàn)出最高的活性(143 L min-1 g-1)和最低的衰變速率(6.19% after 10 h)。并且,線(xiàn)性?huà)呙璺卜ǎ↙SV)測(cè)試結(jié)果表明,Co元素的存在促進(jìn)了CO電氧化,提高了催化劑抗中毒能力,揭示了V和Co的協(xié)同作用才是催化劑高穩(wěn)定性能的真正原因。

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圖3 (a)NCVS-3在碳紙上的LSV曲線(xiàn):以5 mV s?1的掃描速率,分別在1 M KOH、0.33 M尿素和1 M KOH+0.33 M尿素的電解質(zhì)中;(b)NS、CS、VS和一系列最優(yōu)材料(NCS-6、NVS-1和NCVS-3)的LSV曲線(xiàn):以5 mV s?1的掃描速率,在1 M KOH+0.33 M尿素電解質(zhì)中;(c)在電壓為1.36 V(vs RHE)時(shí),NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3隨時(shí)間變化的電流密度曲線(xiàn)圖;(d)計(jì)算相應(yīng)的電流密度衰減率;1 M KOH+0.33 M尿素電解質(zhì)條件下:(e)NCVS-3的第1、1000和2000次CV曲線(xiàn)對(duì)比圖;(f)NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3在不同電位下的產(chǎn)氫速率圖。
經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究,Tafel斜率、電化學(xué)活性比表面積(ECSA)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)和活化能等結(jié)果表明,雜原子(Co和V)的引入,加速了催化劑與尿素間的電子傳輸,降低了活化能(10.48 to 8.83 kJ mol-1),從而提升了催化劑的整體性能。

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圖4 NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3的(a)Tafel斜率圖、(b)雙電層電容(Cdl)圖和(c)Nyquist圖;(d)根據(jù)電流密度與逆溫度的對(duì)數(shù),推斷NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3的活化能;(e)綜合比較NS、NCS-6、NVS-1和NCVS-3試樣的穩(wěn)定性、jECSA、Tafel斜率、H2體積和TOF;(f)比較最近報(bào)道的一些電催化劑(球)和我們材料(星)的UOR性能。
最后,原位電化學(xué)拉曼測(cè)試結(jié)果表明,幾種催化劑作用下的UOR途徑基本相同。為深入了解催化途徑和各組分催化作用機(jī)制,結(jié)合原位電化學(xué)質(zhì)譜同位素示蹤實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論(DFT)計(jì)算,揭示了三元協(xié)同的優(yōu)越性。詳細(xì)結(jié)果如下:V元素降低Co元素和Ni元素的電子密度,有利于N-H的斷裂(圖5,(I → II));Co元素穩(wěn)定了羰基,利于Ni元素與N元素的結(jié)合,經(jīng)N-N偶聯(lián),讓C-N鍵斷裂變得更容易,并且加速CO氧化,使催化劑活性得到快速恢復(fù);S元素作為不可或缺的一環(huán),因其與O元素的π?π共軛作用,有效促進(jìn)CO32-的分解,避免了碳酸鹽在材料表面的吸附。

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圖5 (a)在1.40~1.80V (vs RHE)電位下,NCVS-3催化UOR反應(yīng)的原位電化學(xué)拉曼光譜;NCVS-3催化UOR反應(yīng)的原位電化學(xué)質(zhì)譜同位素示蹤實(shí)驗(yàn)定期測(cè)試結(jié)果,條件:1 M KOH,(b)0.33 M尿素[CO(14NH22]和(c)0.33 M尿素[CO(14NH22/CO(15NH22 = 4:1];(d)NCVS-3電極上可能的UOR機(jī)制;(e)UOR反應(yīng)過(guò)程中,在NS、NCS、NVS和NCVS表面的各步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)條件下的吉布斯自由能。(f)計(jì)算S 3p和Ni 3d軌道的部分態(tài)密度。
這項(xiàng)研究闡述了Ni、Co、V和S元素之間的協(xié)同作用,為設(shè)計(jì)UOR催化劑提供了新思路,而且為金屬硫化物催化尿素電氧化途徑提供了新見(jiàn)解。

人物簡(jiǎn)介

胡文平教授

主要從事有機(jī)高分子光電功能材料的研究,在新型有機(jī)高分子光電功能材料的設(shè)計(jì)合成、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,光電器件的應(yīng)用等方面開(kāi)展了系統(tǒng)研究。發(fā)表SCI論文500余篇(IF>10.0的200余篇),包括Nature (1篇),Nature Chem. (1篇), Nature Commun.(8篇),Adv. Mater. (90篇),J. Am. Chem. Soc. + Angew. Chem. Int. (58篇),被SCI引用>31,000次(H因子=88)。編有中文專(zhuān)著《有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管》(科學(xué)出版社,2011),《分子材料與薄膜器件》(化學(xué)工業(yè)出版社,2011),英文專(zhuān)著《Organic Optoelectronics》(Wiley出版社,2012)

李軼教授
先后主持了國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金、天津市自然科學(xué)面上基金和天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目。在ACS Applied Materials &Interfaces,Environmental Science: Nano,Journal of Materials Chemistry,Journal of Hazardous Materials,Applied Catalysis A: General, Electrochemistry Communications等雜志上發(fā)表SCI收錄論文30余篇。擔(dān)任Journal of Materials Chemistry A, ACS Applied Materials& Interfaces, Langmuir, Carbon, Nano Research, Nano-Micro Letters, The Journal of Physical Chemistry, Molecular BioSystems等國(guó)際知名雜志的審稿人。
劉佳副教授
主要關(guān)注新型納米材料如MOF,COF,二維納米材料,量子點(diǎn)的可控合成,并展開(kāi)該類(lèi)材料的表界面上小分子微觀動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程的研究,研究簡(jiǎn)單分子在納米維度下催化轉(zhuǎn)化機(jī)理,揭示材料納米形貌空間結(jié)構(gòu)對(duì)小分子物理化學(xué)性質(zhì)的影響本質(zhì)。捕捉微觀反應(yīng)瞬態(tài)過(guò)程,利用分子模擬構(gòu)建微觀動(dòng)態(tài)反應(yīng)機(jī)理。目前發(fā)表SCI論文30余篇,一作及通訊發(fā)表SCI論文18篇,合著英文書(shū)籍1部,代表作發(fā)表在Research, J. Am. Chem. Soc, ACS. Catal. , Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, J. Power Sources, ACS Sustain. Chem. Eng. Carbon等雜志。
課題組鏈接:
http://tjmos.tju.edu.cn/huwenping/ktzzs/cy/fzr.htm

文獻(xiàn)信息

Pathway Manipulation via Ni, Co, and V Ternary Synergism to Realize High Efficiency for Urea Electrocatalytic Oxidation

https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05190

原創(chuàng)文章,作者:Gloria,如若轉(zhuǎn)載,請(qǐng)注明來(lái)源華算科技,注明出處:http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/16/3759abf8f3/

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