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?福大程年才AFM：局部幾何畸變激發鋅空電池原子分散的Zn-Nx位點的氧還原活性

局部幾何應變工程有助于調節氮配位過渡金屬-碳催化劑的性能。然而，實現納米級應變在技術上具有挑戰性。此外，人們對應變度與性能之間的結構-性能關系仍然知之甚少。

在此，福州大學程年才團隊通過DFT計算，預測幾何彎曲可以有效地激活Zn-N₄的本征ORR活性，這是由于幾何彎曲將更多的電子從Zn轉移到配體N上，導致Zn原子的三維軌道向費米能級正移動，從而促進了O₂分子的吸附-還原過程。進而揭示了不飽和配位策略對Zn-ZIF水溶液形態和衍生化催化劑性能的影響。

此外，優化后的球形多孔碳催化劑(S-Zn-N-C-950)富含幾何彎曲(25-50°)Zn-N₄位點，具有優異的堿性ORR催化活性(Eonset = 1.0 V, E_1/2= 0.89 V)和鋅-空氣電池性能(峰值功率密度為229.2 mW cm^-2)，優于大多數報道的Fe-N基ORR催化劑。

圖1. 催化劑的理論預測

總之，該工作采用計算和實驗方法證明了局部幾何畸變在增強Zn-Nx基團ORR活性方面的主導作用。首先DFT預測，局部平面彎曲可以激活Zn原子的d軌道上移，從而優化吸附和解吸到氧中間態的強度，并獲得比平面內Zn-N位更有利的ORR路徑。

此外，該工作還提出一種低溫不飽和配位策略制備表面富集幾何彎曲(20-50°)Zn-N-C位的球形多孔碳催化劑進行驗證。優化的催化劑(S-Zn-N-C-950)具有高活性的Zn-N-C位點、大的比表面積和豐富的孔隙結構，具有優異的堿性ORR活性(半波電位E1/2 = 0.89 V)和優異的鋅-空氣電池性能(峰值功率密度為229.2 mW cm^-2)。重要的是，該工作通過DFT計算證明了當幾何彎曲角度為30 ~ 45°時，Zn中心對周圍N的電荷轉移合適，對氧中間態的吸附強度適中，ORR活性最佳。

圖2. 電池性能

Local Geometric Distortion to Stimulate Oxygen Reduction Activity of Atomically Dispersed Zn-Nx Sites for Zn–Air Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202311337

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