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?【DFT+實(shí)驗(yàn)】Small：通過(guò)Co@Co3O4電荷供給優(yōu)化d軌道電子結(jié)構(gòu)以提高氧電催化性能

鋅-空氣電池(ZABs)具有理論能量密度高、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是解決嚴(yán)重能源危機(jī)和污染問(wèn)題的有前途的可再生能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化裝置。由于空氣陰極中可逆氧還原/析氧反應(yīng)(ORR/OER)的動(dòng)力學(xué)緩慢，嚴(yán)重限制了ZABs的效率。因此，為了滿足ZABs大規(guī)模應(yīng)用的嚴(yán)格要求，需要開(kāi)發(fā)具有快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的高效ORR/OER雙功能電催化劑。近日，福州大學(xué)程年才課題組通過(guò)設(shè)計(jì)Co@Co₃O₄核殼結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整Co₃O₄活性中心的d軌道電子構(gòu)型，從而增強(qiáng)其雙功能氧電催化性能。

理論模擬首先證明，由于Co@Co₃O₄中的Co核作為電荷供體，Co₃O₄殼層帶有負(fù)電荷，這導(dǎo)致降低了Co₃O₄中的d帶中心，削弱Co位點(diǎn)的自旋態(tài)。在這種情況下，對(duì)含氧中間體的吸附強(qiáng)度得到了很好的優(yōu)化，并且顯著降低了ORR和OER中速率決定步驟(RDS)的能量障礙，從而促進(jìn)了氧電催化的進(jìn)行。

為驗(yàn)證計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果，研究人員設(shè)計(jì)了一種包埋在2D超薄Co，N共摻多孔碳中的Co@Co₃O₄催化劑(Co@Co₃O₄/PNC)。結(jié)果顯示，優(yōu)化的15Co@Co₃O₄/PNC催化劑在ZABs中具有優(yōu)異的雙功能氧電催化活性，電位間隙為0.69 V，峰值功率密度為158.5 mW cm^?2。

此外，密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，Co₃O₄表面的氧空位越多，對(duì)氧中間體的吸附越強(qiáng)，限制了雙功能氧電催化反應(yīng)的進(jìn)行；而核殼結(jié)構(gòu)中的電子供給可以減這種效應(yīng)，從而保持優(yōu)越的雙功能氧電催化過(guò)電位。

基于上述理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，15Co@Co₃O₄具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.Co核向Co₃O₄殼層的電子供給降低了Co₃O₄的d帶中心，同時(shí)降低了Co₃O₄的自旋態(tài)，從而使含氧中間體在Co₃O₄殼層上的吸附強(qiáng)度得到了很好的優(yōu)化；2.精確控制的ZIF層增強(qiáng)了活性中心的傳質(zhì)和利用；3.異核殼層結(jié)構(gòu)賦予的豐富氧空位作為H₂O或氧離子吸附活性中心。

Optimizing d-Orbital Electronic Configuration via Metal–Metal Oxide Core–Shell Charge Donation for Boosting Reversible Oxygen Electrocatalysis. Small, 2023.

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