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ACS Nano: 協(xié)同界面優(yōu)化策略，助力MXene@RuCo異質(zhì)結(jié)構(gòu)高效電催化水分解

貴金屬催化劑(Pt/C和RuO₂)作為析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)的基準電催化劑，具有超低過電位和優(yōu)異的長期耐久性，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于這些材料的稀缺性和高成本，提高了電催化水分解的成本。

雖然鎳基合金催化劑在堿性水電解過程中得到了廣泛的應(yīng)用，但其性能仍有待進一步提高。因此，必須通過使用更廉價的非貴金屬材料或減少貴金屬的使用量，以實現(xiàn)高效、低成本的電催化水分解。

基于此，重慶大學(xué)黨杰課題組采用協(xié)同界面優(yōu)化策略制備了MXene納米片負載金屬-有機骨架(MOF)衍生的異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑(MXene@RuCo NPs)，并將其用于高效水分解。

電化學(xué)性能測試結(jié)果表明，在堿性條件下，所制備的MXene@RuCo NPs表現(xiàn)出優(yōu)異的HER和OER活性。具體而言，MXene@RuCo NPs在10 mA cm^?2電流密度下的HER和OER過電位分別為20和253 mV，Tafel斜率分別為30.4和61.3 mV dec^?1；該催化劑還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其HER和OER的LSV曲線在CV循環(huán)1000次后僅表現(xiàn)出少量衰減。

此外，利用MXene@RuCo NPs構(gòu)建的MXene@RuCo NPs (?)//MXene@RuCo NPs (+)水電解槽僅需1.52 V的電池電壓就能產(chǎn)生10 mA cm^?2的電流密度，優(yōu)于大多數(shù)最近報道的堿性水電解槽。

實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，RuCo納米粒子具有比Co納米粒子更小的催化質(zhì)量活性；并且，Ru作為引入的第二活性中心，不僅降低了OER過程中限速步驟的能壘，而且還抑制了Co的過氧化，使Co中心能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的HER性能。

最重要的是，MXene誘導(dǎo)了非均相界面之間的電荷重新分布，優(yōu)化了界面的物理化學(xué)性質(zhì)，提高了催化劑的導(dǎo)電性和親水性，加速了電荷轉(zhuǎn)移速率，從而為高效電解水分解提供了一個優(yōu)化和良好的界面。總之，該項工作為合成界面性能優(yōu)化、協(xié)同效應(yīng)大的催化劑提供了一種有效的界面工程策略。

Collaborative Interface Optimization Strategy Guided Ultrafine RuCo and MXene Heterostructure Electrocatalysts for Efficient Overall Water Splitting. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c02956

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