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陳軍院士,五天內(nèi)連發(fā)JACS和Angew.!

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JACS:雙極水系電解液的設(shè)計(jì)
陳軍院士,五天內(nèi)連發(fā)JACS和Angew.!
可充電水系電池由于其高安全性和低成本,使其作為一種潛在的大規(guī)模能源存儲系統(tǒng)。然而,開發(fā)具有高可持續(xù)性和可逆性的水系電池是具有挑戰(zhàn)性的。
成果簡介
在此,南開大學(xué)陳軍院士等人報(bào)道了一種兩性羥基乙酸鋁(AlAc(OH)2)電解液,其具有H+和OH?的雙極電解化能力,有助于蒽醌(AQ)負(fù)極和氫氧化鎳(Ni(OH)2)正極的氧化還原反應(yīng)。其中,AlAc(OH)2(H2O)3溶劑化結(jié)構(gòu)的雙極電離能力是Al3+和OH?的強(qiáng)極化能力的結(jié)果。在解離常數(shù)為5.0/3.0時,H+/OH?的解離能力強(qiáng)于水(14.0),提高了電極的氧化還原反應(yīng)。具體來說,H+的吸收阻止AQ負(fù)極離子鍵的形成,抑制電極溶解,而OH?為Ni(OH)2正極的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供了局部堿性環(huán)境。進(jìn)一步驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的AQ||Ni(OH)2電池的AQ負(fù)極放電容量為243.9 mAhg-1,循環(huán)300次容量保持率為78.2%。此外,作者組裝了一個放電容量為0.90 Ah的軟包電池,基于電池的總質(zhì)量展現(xiàn)出44.7 Whkg-1的能量密度。這項(xiàng)工作顯著地拓寬了水系電池的類型,并代表了雙極電解液的設(shè)計(jì)理念和與H+和OH?進(jìn)行的獨(dú)特的電化學(xué)反應(yīng)。
相關(guān)文章以“Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum Hydroxyacetate Electrolyte”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.上。
研究背景
可再生能源的高效利用和轉(zhuǎn)換需要大規(guī)模的儲能系統(tǒng)。能量密度高、循環(huán)壽命長的鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和電動汽車中。然而,鋰資源短缺、成本高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、有機(jī)電解液的可燃性和安全問題不可避免地制約了鋰離子電池在大規(guī)模儲能中的應(yīng)用。相比之下,基于水系電解液的電池具有安全、環(huán)保、組裝環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是大規(guī)模儲能系統(tǒng)的有前途的候選者。因此,開發(fā)高性能水系電池具有重要意義。
水系電池的發(fā)展可以追溯到1800年,當(dāng)時Volta通過堆疊鋅箔、電解液和銅箔發(fā)明了第一個電池(Volta pile)。后來,基于Zn負(fù)極和MnO2正極的干電池和堿性電池得到進(jìn)一步發(fā)展。然而,這種原電池很難可逆地充電和放電。雖然商業(yè)化鉛酸電池是低成本的二次電池,但它們?nèi)匀皇艿窖h(huán)壽命短、能量密度低、鉛對環(huán)境污染等限制?;贜i(OH)2的鎳鎘和鎳氫(Ni-MH)電池具有良好的充放電性能,但負(fù)極存在成本高且潛在的析氫反應(yīng)(HER)。開發(fā)不含HER的低成本負(fù)極材料對于具有高性能Ni(OH)2的全電池是必要的。有機(jī)醌基材料具有可持續(xù)性、高可逆性和可調(diào)電位等優(yōu)點(diǎn),使其適用于負(fù)極材料。但醌的還原產(chǎn)物會解離,易溶于堿性電解液,導(dǎo)致容量衰減,循環(huán)性能差。此外,廣泛使用的強(qiáng)酸性或堿性電解液具有很強(qiáng)的腐蝕性,不適合大規(guī)模應(yīng)用。因此,開發(fā)具有雙極電離能力的中性電解液對于支持下一代醌-Ni(OH)2的開發(fā)是必要的,且具有挑戰(zhàn)性。
圖文導(dǎo)讀
H+/OH?化學(xué)中性水系電解液的設(shè)計(jì)策略
雖然傳統(tǒng)的電池體系利用H+和OH?反應(yīng)具有良好的電化學(xué)性能,他們通常需要特殊的電池結(jié)構(gòu)來適應(yīng)強(qiáng)酸性和堿性電解液和陰離子/陽離子交換膜,這是昂貴的且與性能電池組裝水平密切相關(guān)。同時,這些膜的選擇性不是100%,導(dǎo)致長時間運(yùn)行后產(chǎn)生穿梭效應(yīng),導(dǎo)致電池故障。相比之下,中性電解液含量適中,具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。由于Al3+電荷高,離子半徑小,具有很強(qiáng)的極化能力,可以削弱水合Al3+溶劑化結(jié)構(gòu)中水分子的O-H鍵,從而激活H+的電離能力。因此,本文選擇了兩性鋁鹽AlAc(OH)2來構(gòu)成一種既能同時電離H+又能電離OH?的電解液。H+用于促進(jìn)有機(jī)負(fù)極醌-苯酚轉(zhuǎn)化,而不是形成蒽醌類鹽與金屬負(fù)離子結(jié)合,從而導(dǎo)致電極溶解。OH?負(fù)離子協(xié)助和支持Ni(OH)2正極在充電-放電過程中的轉(zhuǎn)換反應(yīng)?;贜i(OH)2正極和AQ負(fù)極,電極反應(yīng)機(jī)理如圖1所示,方程如下:
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圖1. 設(shè)計(jì)了含AlAc(OH)2電解液、AQ負(fù)極和Ni(OH)2正極的水系電池系統(tǒng)
電解液結(jié)構(gòu)與H+/OH?電離機(jī)理
同時,采用DFT計(jì)算了AlAc(OH)2電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的H+/OH?解離常數(shù)(pKa/pKb)。為了明確地考慮溶劑效應(yīng),添加了12個水分子作為AlAc(OH)2(H2O)3的第二溶劑化殼層。它的酸性電離產(chǎn)生H+和[AlAc(OH)3(H2O)14],pKa的解離常數(shù)為5.0(圖2a)。當(dāng)它經(jīng)過堿性電離時,OH?和[AlAc(OH)(H2O)15]+的pKb為3.0,如此低的解離常數(shù)表明了雙極電離的可行性。傳統(tǒng)上,鋁鹽溶液中的Al3+溶劑化結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是Al(H2O)63+,由此生成H+和[Al(OH)(H2O)17]2+時的pKa為4.8,略低于[AlAc(OH)(H2O)15]+的pKa。由于[Al(H2O)18]3+不含OH?,因此OH?的電離只能由[Al(OH)(H2O)17]2+的堿性電離產(chǎn)生,計(jì)算得到的pKb為11.0(圖2b)。
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圖2.?AlAc(OH)2水系電解液的H+/OH?電離機(jī)理和電解液結(jié)構(gòu)
電解液與電極之間的相容性
由于H+和OH?具有較強(qiáng)的電離能力,利用AlAc(OH)2電解液分別研究了H+和OH?涉及AQ負(fù)極和Ni(OH)2正極在三電極電池中的氧化還原反應(yīng)。與Ni(OH)2正極和AQ負(fù)極相結(jié)合的電池具有潛在的適用性,在電池系統(tǒng)中具有最高的能量密度。由于AlAc(OH)2電解液可以發(fā)生堿性電離,因此產(chǎn)生的OH?陰離子可以協(xié)助Ni(OH)2正極在充/放電過程中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)。因此,Ni(OH)2正極在AlAc(OH)2電解液中的庫侖效率高于傳統(tǒng)的鋁電解液,如硫酸鋁和AlAc3電解液(圖3a)。同時,AlAc(OH)2電解液增強(qiáng)了Ni(OH)2的循環(huán)性能(圖3b),這是局部堿性環(huán)境的結(jié)果。此外,采用原位紫外光譜(UV?vis)光譜法揭示了AQ負(fù)極的溶解情況。當(dāng)與LiAc電解液匹配時,AQ負(fù)極會形成蒽喹諾鹽,并發(fā)生快速溶解(圖3c)。
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圖3.?AlAc(OH)2電解液與Ni(OH)2正極/AQ負(fù)極的兼容性
AQ負(fù)極的氧化還原機(jī)理
此外,AQ的氧化還原機(jī)制首先通過核磁共振得到驗(yàn)證。在起始狀態(tài)下,AQ在原苯環(huán)上有兩種H原子,分別位于8.16(a1)和7.88(b1)ppm。充電后,峰值變?yōu)?.34 ppm(a2)和7.42ppm(b2)(圖4a)。同時,代表羥基上H原子的峰出現(xiàn)在9.43 ppm(c2)ppm。a2、b2和c2的峰面積之比為2:2:1。放電后,H2AQ完全轉(zhuǎn)化為AQ,表明在AQ負(fù)極中H+的可逆攝取/去除。對還原產(chǎn)物的進(jìn)一步測試表明,AQ的還原過程主要是由質(zhì)子化反應(yīng)決定的,而不是Al3+的插入。通過原位XRD實(shí)驗(yàn),揭示了AQ在還原過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化。在充電過程中,AQ(200)和(?201)晶面11.32和14.18°的峰逐漸消失,H2AQ 11.36和140.78°代表(010)和(002)的峰出現(xiàn)(圖4b)。此外,在兩次循環(huán)試驗(yàn)中,AQ峰具有良好的重現(xiàn)性,表明在H+吸收/去除后,晶體發(fā)生了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)變化。
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圖4.?AQ負(fù)極的電化學(xué)氧化還原機(jī)制和H+遷移
全電池的電化學(xué)性能
為了研究電池系統(tǒng)的實(shí)用性,作者組裝了一個基于AQ負(fù)極、AlAc(OH)2電解液和Ni(OH)2正極的全電池。與Al2(SO4)3(2.16V)電解液和KOH(1.62 V)電解液相比,AlAc(OH)2電解液的電化學(xué)窗口更寬(2.35V)(圖5a)。Ni(OH)2正極和AQ負(fù)極在電壓間隙為1.30 V的AlAc(OH)2電解液中表現(xiàn)出高可逆性,且通過原位pH測試觀察到全電池運(yùn)行中H+/OH?的產(chǎn)生和消耗。在充電過程中,正極側(cè)的pH減少,而負(fù)極側(cè)的pH增加,這分別是由于兩側(cè)H+和OH?的消耗造成的(圖4b)。在豎立過程中,隨著H+和OH?迅速擴(kuò)散并在電解液中中和,兩側(cè)的pH恢復(fù)到初始值。在放電過程中,pH的變化成反比。放電后,pH返回到初始值,證明了H+和OH?的產(chǎn)生和消耗的同時性。此外,原位差分電化學(xué)質(zhì)譜(DEMS)表明,在充/放電過程中,具有寬電化學(xué)窗口的電池既不產(chǎn)生H2也不產(chǎn)生O2(圖5c)。
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圖5.?AQ|AlAc(OH)2|Ni(OH)2全電池的電化學(xué)性能
總結(jié)展望
綜上所述,本文開發(fā)了一種基于兩性羥基乙酸鋁(AlAc(OH)2)電解液,使蒽醌(AQ)負(fù)極和Ni(OH)2正極中H+和OH?參與反應(yīng)分別具有不同的電化學(xué)機(jī)制,通過從頭算分子動力學(xué)(AIMD)和密度泛函理論(DFT)的計(jì)算,證明了AlAc(OH)2(H2O)3的溶劑化結(jié)構(gòu)和雙極電離機(jī)理。同時,通過核磁共振(NMR)、X射線衍射(XRD)、拉曼光譜和DFT計(jì)算,驗(yàn)證了具有H+/OH?電極的電化學(xué)氧化還原機(jī)制。本文所設(shè)計(jì)的AQ|AlAc(OH)2|Ni(OH)2電池具有低電極溶解,無O2/H2析出且具有高可逆性,循環(huán)300次后放電容量為243.9 mAhg-1anode,容量保持率為78.2%。這項(xiàng)工作提出了一種新的雙極水系電解液的設(shè)計(jì)理念,并開發(fā)了具有獨(dú)特的H+/OH?解離機(jī)制的電池系統(tǒng)。
文獻(xiàn)信息
Qiu Zhang,? Xiaomeng Liu,? Yong Lu,? Youxuan Ni, Weiwei Xie, Zhenhua Yan, Fujun Li,and Jun Chen*, Sustainable Aqueous Batteries Based on Bipolar Dissociation of Aluminum Hydroxyacetate Electrolyte, J. Am. Chem. Soc..?(2024). https://doi.org/10.1021/jacs.3c13963
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Angew:溫度-壓力誘導(dǎo)策略提升ORR性能!
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氧還原反應(yīng)(ORR)在金屬空氣電池和燃料電池發(fā)展中扮演著重要作用,其中應(yīng)變調(diào)節(jié)可以改變催化劑的幾何形狀,調(diào)整催化劑的表面電荷分布,是優(yōu)化ORR活性的有力策略,但在材料中引入應(yīng)變調(diào)節(jié)仍然難以實(shí)現(xiàn)催化性能的大幅度提升。
在此,南開大學(xué)陳軍院士和嚴(yán)振華副研究員等人提出了一種溫度-壓力誘導(dǎo)策略來實(shí)現(xiàn)金屬配位聚合物的晶格應(yīng)變調(diào)控。通過對應(yīng)變效應(yīng)對ORR性能的系統(tǒng)研究,進(jìn)一步理解和證實(shí)了幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)之間的關(guān)系,晶格壓縮率為2.0%的應(yīng)變Co-DABDT(DABDT=2,5-二氨基苯-1,4-二硫醇)表現(xiàn)為0.81 V。理論分析表明,晶格應(yīng)變改變S原子周圍的自旋電荷密度,然后調(diào)節(jié)氫鍵相互作用與中間體促進(jìn)ORR催化過程。這項(xiàng)工作有助于從原子水平上理解催化機(jī)理。
相關(guān)文章以“Lattice Strained Induced Spin Regulation in Co-N/S Coordination Framework Enhanced Oxygen Reduction Reaction”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.上。
研究背景
基于氧還原反應(yīng)(ORR)的金屬-空氣電池和燃料電池等,是實(shí)現(xiàn)全球碳中和的重要途徑。然而,由于ORR的過程復(fù)雜,其動力學(xué)過程通常被認(rèn)為是金屬-空氣電池和燃料電池性能的瓶頸。目前,最有效的商業(yè)化ORR催化劑是鉑基材料,但其昂貴性限制了其商業(yè)應(yīng)用。追求具有低過電位、高質(zhì)量活性和高耐久性的ORR電催化劑遇到較大的挑戰(zhàn)。
金屬-有機(jī)框架(MOFs)具有明確的結(jié)構(gòu)和豐富的活性金屬位點(diǎn),有效地結(jié)合了均相和多相催化劑的優(yōu)點(diǎn)。然而,對于傳統(tǒng)的MOFs,其電化學(xué)活性的提高受到電絕緣體的嚴(yán)重抑制,這嚴(yán)重限制了其在電催化中的廣泛應(yīng)用。最近,d-π共軛金屬配位框架已經(jīng)成為一類新的MOF,其平面內(nèi)π離域和弱平面外π疊加,有效地提高了電子轉(zhuǎn)移能力,且仍然保留了傳統(tǒng)MOFs的固有優(yōu)勢。因此,d-π共軛金屬配位框架為研究ORR電催化機(jī)理提供了一個理想的模型結(jié)構(gòu)。同時,晶格應(yīng)變可以有效地誘導(dǎo)和調(diào)節(jié)其幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu),是提高ORR性能的重要方法。然而,應(yīng)變的產(chǎn)生通常是無法控制的。由于主體和客體之間的相互作用,以及它們與傳統(tǒng)無機(jī)材料相比增強(qiáng)的靈活性,MOFs在其晶體結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出易變形,使其成為應(yīng)變誘導(dǎo)化學(xué)檢測的優(yōu)秀候選材料。目前,MOFs的調(diào)控主要考慮金屬位點(diǎn)的配位數(shù)、配位原子和軸向客體群。然而,應(yīng)變誘導(dǎo)的MOFs調(diào)控很少,這是目前具有挑戰(zhàn)性和討論。值得注意的是,由晶格應(yīng)變引起的空間結(jié)構(gòu)的變化可以實(shí)現(xiàn)對催化劑的電子態(tài)的微觀調(diào)控,這可能是提高M(jìn)OFs催化活性的有效策略。
圖文導(dǎo)讀
以新型d-π共軛Co-DABDT(Co-N2S2)為模型催化劑,對晶格應(yīng)變進(jìn)行了微調(diào),并分析了應(yīng)變效應(yīng)對ORR電催化性能的影響。在不同溫度下,通過絡(luò)合反應(yīng)成功地合成了Co-DABDT,其由大量堆疊的納米棒組成的。為了進(jìn)一步分析納米棒的微觀形貌,從圖1b-e中的TEM可以看出,所有Co-DABDT樣品都是均勻的矩形納米棒結(jié)構(gòu),長度和寬度均為分別為70 nm和10 nm。根據(jù)HRTEM(圖1b-e),在50 oC下得到的Co-DABDT的條紋晶格參數(shù)為5.89 ?。值得注意的是,當(dāng)反應(yīng)體系的溫度升高到70、120和180℃時,(100)晶面被壓縮成5.77 ?、5.69 ?和5.64 ?,它們對應(yīng)的晶格壓縮比分別為2.0%、3.4%和4.2%。
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圖1. 通過晶格壓縮調(diào)節(jié)S位點(diǎn)自旋電荷密度的示意圖及表征
同時,作者使用粉末x射線衍射(PXRD)進(jìn)一步證明了Co-DABDT中存在應(yīng)變效應(yīng)。根據(jù)圖2a中原始Co-DABDT的PXRD圖譜,位于11.24、15.20和17.74°的尖銳特征峰分別歸因于(001)、(100)和(-101),表明其具有高度結(jié)晶結(jié)構(gòu)。原始和應(yīng)變后的Co-DABDT的特征衍射峰與理論XRD模擬一致,證實(shí)了高結(jié)晶Co-DABDT的合成。此外,(100)平面的衍射角顯著移動到15.52,15.76和15.84°,如圖2b所示,這也是Co-DABDT晶格應(yīng)變的重要證據(jù)。其結(jié)果可能是隨著系統(tǒng)溫度的升高,系統(tǒng)的環(huán)境壓力增大,導(dǎo)致Co-DABDT沿[100]方向被壓縮(圖2c)。利用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)驗(yàn)證了Co-DABDT的鍵合特性的演化。通過FTIR譜比較反應(yīng)前后的結(jié)構(gòu)變化(圖2d),DABDT的S-H伸縮振動位于2500 cm-1,C-N和C-S伸縮振動分別出現(xiàn)在1183和1038 cm-1。
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圖2.?理化性質(zhì)的研究
為了進(jìn)一步探索晶格應(yīng)變與ORR催化活性之間的內(nèi)部關(guān)系,作者利用旋轉(zhuǎn)環(huán)圓盤電極(RRDE)對合成的Co-DABDT在O2飽和0.1 M氫氧化鉀溶液中對ORR性能進(jìn)行了評價。首先使用線性掃描伏安法來估計(jì)催化活性。當(dāng)電極旋轉(zhuǎn)速率為1600輪每分鐘(rpm)和掃描速度為5 mV-1時,Co-DABDT,Co-DABDT-2.0%,Co-DABDT-3.4%和Co-DABDT-4.2%的起始電位分別是0.88 V,0.96 V,0.94 V和0.87V,表明Co-DABDT-2.0%ORR反應(yīng)有更好的電催化活性。同時,根據(jù)極化曲線,可以計(jì)算出電催化ORR過程中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)和過氧化氫產(chǎn)率(圖3b)。根據(jù)圓盤的電流,在0.3~0.8 V的電壓范圍內(nèi),Co-DABDT、CoDABDT-2.0%、Co-DABDT-3.4%和Co-DABDT-4.2%的平均電子轉(zhuǎn)移數(shù)約為3.81、3.85、3.61和3.54(圖3c)。
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圖3.?晶格應(yīng)變與ORR催化活性之間的內(nèi)部關(guān)系
為了了解應(yīng)變調(diào)節(jié)電催化之間的內(nèi)部關(guān)系,作者通過DFT計(jì)算進(jìn)一步分析了電催化劑和ORR過程的電子性質(zhì)(圖4a)。圖4b顯示了不同壓縮應(yīng)力下Co-DABDT的自旋電荷密度的分布。結(jié)果表明,S原子周圍的自旋電荷密度先增大后減小。在這些Co-DABDT催化劑中,Co-DABDT-2%在S原子周圍的自旋電荷密度最高。當(dāng)OOH被吸附在Co-DABDT-2%的催化劑上時,OOH的H原子與配位S原子之間出現(xiàn)分子內(nèi)氫鍵相互作用,如電荷密度差所示(圖4d)。此外,還發(fā)現(xiàn)Co-DABDT-2%催化劑的S原子在關(guān)鍵中間體OOH吸附后獲得的電子最多,表明S原子和H原子之間的靜電相互作用更強(qiáng)(圖4c)。
因此,Co-DABDT-2%催化劑對關(guān)鍵中間體OOH具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。不同壓縮應(yīng)力下Co-DABDT催化劑的自由能圖如圖4e所示。在這三種催化劑中,Co-DABDT-2%催化劑對關(guān)鍵中間體OOH的吸附強(qiáng)度最強(qiáng)。由于ORR在Co-DABDT上的潛在決速步驟是O2加氫生成*OOH,因此Co-DABDT-2%對ORR具有最高的電催化活性。
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圖4.?應(yīng)變調(diào)節(jié)與電催化性能之間的DFT研究
總結(jié)展望
綜上所述,本文成功地制備了具有特殊N、S配位性質(zhì)的d-π共軛CoDABDT(DABDT=2,5-二氨基苯-1,4-二硫醇),且Co-N2S2在ORR過程中作為高金屬活性中心。同時,通過利用溶劑體系的溫差-壓力特性,準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)了Co-DABDT的晶格應(yīng)變,進(jìn)一步提高了Co-DABDT的ORR活性。最優(yōu)晶格應(yīng)變Co-DABDT的ORR性能最為優(yōu)異,其半波電位為0.81 V。此外,通過理論計(jì)算,深入說明了不同程度的晶格應(yīng)變對Co-DABDT的電子結(jié)構(gòu)和ORR性能的影響。晶格應(yīng)變的存在主要影響Co-DABDT中S的自旋電荷密度(圖1a),從而優(yōu)化了中間體與催化劑之間的氫鍵相互作用,最終導(dǎo)致ORR過程的增強(qiáng)。這為理解電催化過程中金屬配位框架的構(gòu)效關(guān)系提供了一個新的視角。
文獻(xiàn)信息
Liu Lin+, Youxuan Ni+, Long Shang, Linyue Wang, Zhenhua Yan*, Qing Zhao, and Jun Chen*, Lattice Strained Induced Spin Regulation in Co-N/S Coordination Framework Enhanced Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed.. (2024). 10.1002/anie.202319518

原創(chuàng)文章,作者:Gloria,如若轉(zhuǎn)載,請注明來源華算科技,注明出處:http://m.xiubac.cn/index.php/2024/03/04/a580aa9b28/

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