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北大郭少軍團隊JACS：單原子Cr-N4中心與Pt原子簇結合，有效提升堿性HER活性

水電解可以在酸性或堿性介質中進行，鑒于大多數陽極析氧催化劑在酸性條件下易被腐蝕，因此堿性陰離子交換膜水電解(AEMWE)具有較強的競爭力，在規模化制氫工業中得到廣泛應用。

目前，AEMWE中析氫反應(HER)最有效的催化劑仍然是Pt，但其存在成本高、HER質量活性低(尤其在堿性介質中)和穩定性不足等問題，這限制了Pt催化劑在AEMWE中的大規模使用。

在導電載體上分散Pt原子團簇(AC)是一種減少HER中Pt用量的有效方法，但由于Pt原子團簇的水解離性能不佳，且難以穩定存在，導致其在堿性HER中的催化活性和穩定性不理想。因此，目前迫切需要設計和開發具有增強的簇-載體相互作用和水解離能力的Pt AC催化劑，以同時提高催化劑的穩定性和活性。

近日，北京大學郭少軍課題組設計并制備了一類新型的單原子Cr-N₄中心，它們與介孔碳上的Pt原子團簇接觸(Pt-AC/Cr-N-C)，具有高活性和穩定的堿性HER催化活性。

具體而言，碳載體上的單個Cr-N₄位點作為Pt原子團簇的有效錨定位點，形成強烈的界面相互作用，可以限制Pt原子的遷移和聚集，從而在去除配體和操作過程中固定/穩定Pt AC。在催化HER過程中，Pt-AC/Cr-N-C表現出優異的質量活性(7.9 mA mg_Pt^-1，過電位為50 mV)，并且具有良好的長期穩定性和耐久性，優于商業Pt/C和最先進的Pt基單原子催化劑。

實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明，在Pt-ACs和Cr-N₄位點界面上，具有羥基吸附能力的親氧不飽和Cr-N₄位點與Pt原子團簇通過3d-5d軌道雜化形成強烈的Pt-Cr準共價鍵相互作用，從而顯著提高了HER的電催化活性和穩定性；同時，Pt-Cr在團簇-基底界面形成的準共價鍵相互作用能夠有效抑制Pt ACs熱振動，進一步提高了催化劑的熱結構穩定性。

所構建的Pt-AC/Cr-N-C基AEMWE具有超低的Pt負載量(50 μg_Pt cm^-2)，可獲得優異的工業級產氫活性和超過100 h的顯著耐久性，而電壓降解率僅為90 μV h^-1。

Single-Atom Cr–N₄ Sites with High Oxophilicity Interfaced with Pt Atomic Clusters for Practical Alkaline Hydrogen Evolution Catalysis. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c06863

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