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蔣青/楊春成Nano Letters：SbSA-N-C助力ORR和Zn-空氣電池

p-嵌段金屬基單原子催化劑（SACs）具有Fenton-非活性特性和獨(dú)特的p電子可與O₂分子雜交的優(yōu)點(diǎn)，在氧還原反應(yīng)（ORR）中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，由封閉的d¹⁰電子結(jié)構(gòu)引起的不良本征活性仍然是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

基于此，吉林大學(xué)蔣青教授和楊春成教授、加拿大多倫多大學(xué)Chandra Veer Singh等人報(bào)道了一種具有碳空位增強(qiáng)的Sb-N₄活性中心的Sb基SAC，其具有優(yōu)異的ORR性能。所制備的Sb_SA-N-C具有0.905 V的正半波電位，在堿性環(huán)境中具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，基于Sb_SA-N-C的Zn-空氣電池表現(xiàn)出181 mW cm^-2的高功率密度，在實(shí)際應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

VASP解讀

通過(guò)DFT計(jì)算，作者研究了Sb_SA-N-C的催化機(jī)理。計(jì)算結(jié)果顯示Sb_SA-N-C中吡啶N的含量高于吡啶N，表明吡啶N原子有更多的機(jī)會(huì)與Sb結(jié)合。因此，作者選擇了具有四個(gè)吡啶N原子的Sb-N₄位點(diǎn)的構(gòu)型，在第二配位球上具有6個(gè)可能的碳空位（位點(diǎn)A-F）。

結(jié)果表明，在熱力學(xué)中，碳空位最有可能在N原子附近形成。局域態(tài)密度（LDOS）曲線所示，在Sb-N₄位點(diǎn)周?chē)牡诙湮磺騼?nèi)碳空位的存在導(dǎo)致Sb-N-C_v中的Sb p軌道向費(fèi)米能級(jí)顯著移動(dòng)，表明第二配位球中的碳空位在Sb的活性位點(diǎn)上引起了類(lèi)似配體的效應(yīng)，激活了Sb原子p軌道上的電子。

結(jié)合Bader電荷分析，發(fā)現(xiàn)Sb和N原子有0.47個(gè)電子轉(zhuǎn)移到O₂*的π*反鍵軌道上，提供了活化的證據(jù)。此外，O₂的延伸鍵長(zhǎng)表明吸附的O₂被激活。Sb-吡啶N和Sb-吡啶N構(gòu)型在降低勢(shì)壘方面起著重要的作用，從而導(dǎo)致在ORR方面具有出色的電化學(xué)性能。總之，研究結(jié)果表明N₄第一配位殼與第二配位球內(nèi)的空位之間存在協(xié)同相互作用，從而提高了穩(wěn)定性和催化效率。

Vacancy-Enhanced Sb-N₄ Sites for the Oxygen Reduction Reaction and Zn-Air Battery. Nano Lett., 2024, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00808.

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蔣青/楊春成Nano Letters：SbSA-N-C助力ORR和Zn-空氣電池

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