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半導體材料與器件創(chuàng)新團隊在生物-化學法制備電催化劑方面取得進展

發(fā)布時間:2024-07-01瀏覽次數(shù):117

在可再生能源領(lǐng)域,,鋅空氣電池(ZABs)因其高能量密度,、良好穩(wěn)定性以及豐富的鋅資源而備受關(guān)注,。然而,鋅空氣電池的性能受限于氧還原反應(yīng)(ORR)和氧析出反應(yīng)(OER)的緩慢動力學,。傳統(tǒng)的銥、鉑和釕等貴金屬催化劑,,雖然具有優(yōu)異的催化活性,,但成本高昂且穩(wěn)定性不佳,限制了其商業(yè)應(yīng)用,。因此,,開發(fā)非貴金屬雙功能電催化劑,以實現(xiàn)ORROER的高效催化,,對于推動鋅空氣電池的商業(yè)化至關(guān)重要,。

近日,齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)材料學部半導體材料與器件創(chuàng)新團隊提出了一種生物-化學策略,,通過構(gòu)建沸石咪唑框架(ZIF@酵母前體來制備鈷納米粒子(CoNPs)和鈷/-N4-C共嵌入氮摻雜多孔碳(CoNPs&Co/Ni-N4-C@NC)催化劑(圖1),。酵母細胞豐富的氨基為鈷/鎳離子的錨定提供了可能,并通過酵母細胞的生物礦化效應(yīng)實現(xiàn)了Co/Ni-ZIF@酵母前體的構(gòu)建,。這種功能設(shè)計不僅誘導了CoNPsCo/Ni-N4-C位點在氮摻雜碳中的形成,,還調(diào)節(jié)了多孔結(jié)構(gòu)以暴露這些位點。CoNPs,、Co/Ni-N4-C和多孔氮摻雜碳之間的協(xié)同作用展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化動力學,,為高性能催化劑的制備提供了一種有效策略。

 

1 Co NPs&Co/Ni-N4-C催化劑的生物-化學合成策略

 

Co NPs&Co/Ni-N4-C催化劑Co,、Ni負載量分別為15.5 wt%,、2.31 wt%,比表面積為425.26 m2 g-1,。大的比表面積使得其暴露的活性位點更多,,同時,Co納米顆粒,、Co/Ni-N4-C和多孔N摻雜碳的協(xié)同作用使Co NPs&Co/Ni-N4-C@NC催化劑展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性(JL6.34 mA cm-2)和催化動力學(ORR-Tafel斜率為76.3 mV dec-1,,OER-Tafel斜率為80.4 mV dec-1,圖2),。在ZABs中,,10 mA cm-2電流密度下的放電電壓為1.15 V2 mA cm-2電流密度下穩(wěn)定性優(yōu)異(圖3),。利用生物-化學策略將Co納米顆粒,、Co/Ni-N4-C和多孔N摻雜碳成功復合,提高了催化劑的催化活性,,對解決ZABsORROER動力學緩慢問題具有重要意義,。

 

2 Co NPs&Co/Ni-N4-C催化劑的電催化劑性能

 

3 Co NPs&Co/Ni-N4-C催化劑組裝ZAB的性能

 

近日,相關(guān)成果以“Co納米粒子與Co/Ni-N4-CN摻雜多孔碳協(xié)同增強電催化動力學“Enhancing Electrocatalytic Kinetics via Synergy of Co Nanoparticles and Co/Ni-N4-C and N-Doped Porous Carbon”)為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS應(yīng)用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上,。

齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)材料學部2021級碩士生李亞龍為文章的第一作者,。吳擁中教授,、徐小龍副教授為文章的共同通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金,、山東省自然科學基金,、齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)等的支持。

 

論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsami.4c00084

參考網(wǎng)頁鏈接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c00084

其他相關(guān)成果:

(1) Engineering Strategy for Enhancing the Co Loading of Co–N4–C Single-Atomic Catalysts Based on the ZIF-67@Yeast Construction, ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 34, 40451–40458. https://doi.org/10.1021/acsami.3c06886

(2) 一種基于沸石咪唑酯骨架-67/酵母復合結(jié)構(gòu)的高負載單原子催化劑制備方法, 授權(quán)公告號:CN 114768848 B