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使用金屬化合物（又稱金屬X化物，TMX）作為電催化材料是最近的熱門研究領(lǐng)域。由于在電催化中存在水溶液和表面含氧/氫吸附物的平衡，催化劑的表面可能會被來自水活化的含氧/氫吸附物所覆蓋或部分覆蓋。這些電催化引起的新催化表面狀態(tài)可能會導(dǎo)致不一樣的表面電子結(jié)構(gòu)及活性位點(diǎn)。然而，此前大多數(shù)對TMX的理論計(jì)算研究往往基于一個(gè)符合TMX化學(xué)計(jì)量比的純凈（pristine）表面，忽視表面可能形成的新表面狀態(tài)，引起對機(jī)理理解和催化劑設(shè)計(jì)上的偏差。

成果簡介

五國高校催化學(xué)者聯(lián)合發(fā)文：亟需重視金屬化合物在電催化時(shí)的表面狀態(tài)！

近日，在日本東北大學(xué)材料科學(xué)高等研究所（WPI-AIMR）李昊副教授、英國曼徹斯特大學(xué)高級講師Carmine D’agostino、澳洲悉尼大學(xué)ARC Future Fellow魏力博士領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究工作中，對14種典型金屬化合物進(jìn)行了表面Pourbaix相圖基準(zhǔn)分析，發(fā)現(xiàn)在電催化反應(yīng)過程中 (CO₂RR, NRR, HER, OER 及ORR), 催化劑的表面狀態(tài)都會發(fā)生明顯的變化。

比如，在OER及ORR條件下, 催化劑的表面會趨于被O*或者HO*覆蓋；而在相對較低的電位下, 如HER, CO₂RR及NRR過程中, 催化劑的表面會被H*覆蓋或形成陰離子缺陷。這些結(jié)果也與不少實(shí)驗(yàn)的催化后表征（post-catalysis characterization）結(jié)果較為吻合。對上述五個(gè)電催化反應(yīng)的典型反應(yīng)物吸附能進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，若不考慮催化表面的真實(shí)表面狀態(tài)，所得的反應(yīng)機(jī)理結(jié)果將大相徑庭。

該工作得到的一個(gè)重要結(jié)論是，在分析金屬化合物電催化劑的活性時(shí)，對其表面狀態(tài)進(jìn)行分析是一個(gè)不可缺少的步驟。因?yàn)榇呋瘎┰谔囟ǖ姆磻?yīng)條件下，其表面態(tài)會發(fā)生明顯的變化，這種變化會對材料的性能、穩(wěn)定性等產(chǎn)生決定性作用。同時(shí), 為了達(dá)到精準(zhǔn)的催化機(jī)理研究, 一些催化后的表征以及原位的測試技術(shù)也需要得到更廣泛的重視和發(fā)展。

該工作以“The Surface States of Transition Metal X-ides under Electrocatalytic Conditions”為題發(fā)表在Journal of Chemical Physics：

第一作者：劉恒；通訊作者：李昊（日本東北大學(xué)）；Carmine D’agostino（英國曼徹斯特大學(xué)及意大利博洛尼亞大學(xué)）；魏力（澳洲悉尼大學(xué)）；其他作者：賈雪（日本東北大學(xué)）；曹昂（丹麥科技大學(xué)）。

五國高校催化學(xué)者聯(lián)合發(fā)文：亟需重視金屬化合物在電催化時(shí)的表面狀態(tài)！

圖一電催化表面相圖的計(jì)算流程。

圖二 14種典型的金屬X化物的表面Pourbaix相圖。

圖三 E_HO* vs. E_O*以及E_HO* vs. E_HOO*在不同覆蓋度下的線性標(biāo)度關(guān)系。

The Surface States of Transition Metal X-ides under Electrocatalytic Conditions，?Journal of Chemical Physics,?2023，https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0147123

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