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發(fā)生氧還原反應(yīng)（ORR）和析氧反應(yīng)（OER）的雙功能催化劑是可充電鋅-空氣電池的重要組成部分，但陰極緩慢的反應(yīng)動力學(xué)限制了鋅-空氣電池性能的提升。因此，開發(fā)更高效的雙功能電催化劑勢在必行。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）孫春文課題組通過有機(jī)配體誘導(dǎo)構(gòu)建了原位偏析CoRu納米顆粒的鈣鈦礦Pr_0.5Ba_0.5Mn_0.8Co_0.1Ru_0.1O_2.5+δ (PBMCRO)與Co-N-C的復(fù)合材料。在分散PBMCRO粉末的懸浮液中加入有機(jī)配體2-甲基咪唑（2-MIM），Co與2-MIM相互作用，形成了金屬有機(jī)框架ZIF-67，隨后經(jīng)過焙燒轉(zhuǎn)化為Co-N-C；同時2-MIM作為溫和的還原劑，促進(jìn)了部分Co和Ru原位偏析形成CoRu納米顆粒，最終形成具有高催化活性的Co-N-C-PBMCRO雙功能復(fù)合電極。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Co-N-C-PBMCRO催化劑的過電位（E = 0.45 V）明顯低于Pr_0.5Ba_0.5MnO_3-δ (PBMO)（E = 0.69 V），且略低于商用RuO₂催化劑（E = 0.49 V）。Co-N-C-PBMCRO的OER Tafel斜率為100.59 mV dec^?1，低于PBMO的Tafel斜率（121.30 mV dec^?1），表明Co-N-C-PBMCRO電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)更快，幾乎與商業(yè)RuO₂的斜率（96.60 mV dec^?1）相當(dāng)。此外，測試得到的Co-N-C-PBMCRO和PBMO的轉(zhuǎn)移電子數(shù)分別約為3.99和3.78，且相比之下，PBMO過氧化物產(chǎn)率更高。此外，Co-N-C-PBMCRO表現(xiàn)出更高的半波電位（E_1/2 = 0.81 V），與10% Pt的商業(yè)催化劑相當(dāng)，高于PBMO的（E_1/2 = 0.72 V）。通過計時安培曲線測試對催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，在25000秒后，Co-N-C-PBMCRO催化劑保留了超過86%的初始ORR活性，而PBMO催化劑僅保留了77%，表明PBMO的電化學(xué)穩(wěn)定性通過形成新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)得到了提高。

同時修飾了CoRu合金納米顆粒和Co-N-C的Co-N-C-PBMCRO，改善了鈣鈦礦基氧化物電催化劑通常在室溫下電子電導(dǎo)差，從而導(dǎo)致催化性能不理想的情況。與PBMO相比，Co-N-C-PBMCRO氧電極的雙功能性能顯著提高。使用 Co-N-C-PBMCRO為氧電極催化劑的鋅-空氣電池峰值功率密度達(dá)到90 mW cm^-2，超過了使用PBMO電極的電池的67.75 mW cm^-2；它還表現(xiàn)出 780 mAh g_Zn-1的優(yōu)異比容量，并在788 h內(nèi)表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，優(yōu)于目前文獻(xiàn)中報道的大多數(shù)鈣鈦礦基雙功能電催化劑。與其他性能優(yōu)異的鋅-空氣電池雙功能催化劑相比，Co-N-C-PBMCRO的放電/充電循環(huán)時間能夠與Fe-N₄/C等改性后的典型非貴金屬電催化劑相當(dāng)。負(fù)載Co-N-C-PBMCRO電極的鋅-空氣電池能夠使電子計時器正常工作，并且驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）。

負(fù)載的Co-N-C提高了PBMO的ORR活性，而CoRu合金納米顆粒原位偏析在層狀鈣鈦礦表面，增加了活性位點(diǎn)，促進(jìn)了電子和質(zhì)量傳遞，同時在鈣鈦礦基體中引入了大量電化學(xué)活性氧空位，從而提高了催化劑對ORR和OER的催化性能。不同材料形成的界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)局部電子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了優(yōu)越的氧反應(yīng)動力學(xué)。Co-N-C-PBMCRO催化劑的制備為設(shè)計高活性的金屬空氣電池和燃料電池電催化劑提供了一種很有潛力的方法。