国产aaaa级全身裸体精油片_337p人体粉嫩久久久红粉影视_一区中文字幕在线观看_国产亚洲精品一区二区_欧美裸体男粗大1609_午夜亚洲激情电影av_黄色小说入口_日本精品久久久久中文字幕_少妇思春三a级_亚洲视频自拍偷拍

首頁 > 行業(yè)資訊 > 中南大學(xué)張翼、UCSC陳少偉 Angew：Fe的自旋態(tài)調(diào)控應(yīng)用于柔性金屬–空氣電池

中南大學(xué)張翼、UCSC陳少偉 Angew：Fe的自旋態(tài)調(diào)控應(yīng)用于柔性金屬–空氣電池

時間：2022-04-28 來源： 瀏覽：

中南大學(xué)張翼、UCSC陳少偉 Angew：Fe的自旋態(tài)調(diào)控應(yīng)用于柔性金屬–空氣電池

原創(chuàng) 化學(xué)與材料科學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)
化學(xué)與材料科學(xué)

Chem-MSE

聚集海內(nèi)外化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域最新科學(xué)前沿動態(tài)，與相關(guān)機構(gòu)共同合作，發(fā)布實用科研成果，結(jié)合政策、資本、商業(yè)模式、市場和需求、價值評估等諸要素，構(gòu)建其科技產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新平臺，服務(wù)國家管理機構(gòu)、科研工作者、企業(yè)決策層。

收錄于合集
#磁矩 1 個
#電子自旋態(tài) 1 個
#異核雙原子位點 1 個
#氧氣還原反應(yīng) 1 個
#柔性金屬空氣電池 1 個

點擊藍字關(guān)注我們

研究背景

近年來，燃料電池和金屬空氣電池等可持續(xù)清潔能源技術(shù)的發(fā)展引起了廣泛關(guān)注 。 然而，燃料電池和金屬 – 空氣電池的商業(yè)化 的障礙主要來自于 鉑基正極材料 的高昂 成本和 較差 耐久性 。 過渡金屬 – 氮摻雜碳（ M–N–C ）納米復(fù)合材料 ，因其 含有高活性的 MN x C y 位點 ， 被認為是最有前景的非貴金屬氧還原反應(yīng)（ ORR ） 電 催化劑 之一 。其中， Fe–N–C 復(fù)合材料中的 FeN x C y 位點對 ORR 中間體的吸附能適中， 具有高效的電催化 ORR 活性。
近期，研究者發(fā)現(xiàn) Fe 中心的電子自旋態(tài)與催化活性、穩(wěn)定性密切相關(guān)。例如， Bin 等人提出了一種自旋交叉機制來解釋 Fe–N–C 單原子催化劑的 ORR 活性； Frédéric 等人觀察到，低 / 中自旋 FeN x C y 位點的耐久性遠高于相應(yīng)高自旋位點； Mu 等人認為， FeN x C y 位點的中自旋 Fe 的 dz 2 軌道上的未成對電子可以輕易進入到氧的反鍵 π 軌道，從而導(dǎo)致高 ORR 活性。另一項研究中的第一性原理計算表明， MN 4 （ M = Fe 、 Co 和 Ni ）單原子位點的 ORR 催化活性隨著金屬中心磁矩的降低而降低。然而，活性位點的磁矩與 ORR 活性之間的確切相關(guān)性尚不清楚，嚴重阻礙了高性能 ORR 催化劑的合理設(shè)計。
 

研究內(nèi)容

根據(jù)文獻報道 ， Fe 單原子位點上的 ORR 決速步驟（ RDS ）是最后一步，即 –OH 的脫附，因此 –OH 的脫附能（ ΔG OH* ）可作為 ORR 活性指標。那么是否能夠通過金屬位點磁矩 的改變 來調(diào)控 ORR 反應(yīng)中的 ΔG OH*   呢？有鑒于此， 中南大學(xué)張翼課題組和加州大學(xué)圣克魯斯分校陳少偉課題組在《 Angew. Chem. 》發(fā)表了題為： “ Theory–Guided Regulation of FeN 4  Spin State by Neighboring Cu Atoms for Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Flexible Metal–Air Batterie s ” 的文章。此研究中的理論計算表明，位于石墨碳上不同位置（例如，本體、孔邊緣）的 FeN 4 位點表現(xiàn)出不同的 ΔG OH* 和磁矩，二者為近線性相關(guān)。由此可推斷， ORR 活性的調(diào)控可以通過改變金屬活性中心的自旋磁矩來實現(xiàn)。 進一步的理論和實驗結(jié)果證實 ，通過在單原子 Fe 位點引入相鄰的 Cu 單原子位點可對 Fe 的 磁矩 進行調(diào)控，從而改變其催化活性。實驗中所制備得到的最佳催化劑（ NCAG/Fe–Cu ），在較寬的 pH 范圍內(nèi)（ 0~14 ）表現(xiàn)出優(yōu)異的 ORR 活性，尤其是在堿性和中性介質(zhì)中，其催化 ORR 的半波電位分別達到 +0.94 V 和 +0.84 V 。以 NCAG/Fe–Cu 作為電極催化劑組裝得到的柔性 / 中性鋁空氣電池和柔性 / 堿性鋅空氣電池均表現(xiàn)出超高的開路電壓和功率密度、以及優(yōu)異的機械柔韌性，均優(yōu)于商業(yè) Pt/C 或 Pt/C–RuO 2 催化劑 。該研究結(jié)果為優(yōu)化 M–N–C 復(fù)合材料的電催化活性提供了一種全新思路。

圖文解析

圖 1 （ a ） FeN 4   單原子位點（ i ）在石墨烯本體（ Fe 1 –1 ）和（ ii ）在納米孔 邊 （ Fe 1 –2 ）的最優(yōu)構(gòu)型；鄰位雙金屬位點（ iii ） Fe 1 /Fe 1 –1 ，（ iv ） Cu 1 /Fe 1 –1 ，（ v ） Fe 1 /Fe 1 –2 和（ vi ） Cu 1 /Fe 1 –2 的最優(yōu)構(gòu)型。（ b ） Fe 1 –1 、 Fe 1 –2 和 Fe 1 –3 位點上催化 ORR 的自由能圖。（ c ） Fe 1 –1 、 Fe 1 –2 和 Fe 1 –3 位點上磁矩與 ΔG OH*   的相關(guān)性。（ d ）鄰位雙金屬位點的磁矩和 ΔG OH*   的比較，插圖顯示二者的相關(guān)性。（ e ） Fe 1 /Fe 1 –1 、 Cu 1 /Fe 1 –1 、 Fe 1 /Fe 1 –2 和 Cu 1 /Fe 1 –2 位點在極限電位下的自由能圖。（ f ） Fe 1 /Fe 1 –2 和 Cu 1 /Fe 1 –2 中 Fe 3d 的 DOS 圖。（ g ） Cu 1 /Fe 1 –2 中 5 個 Fe 3d 軌道的 DOS 圖。
 

圖 2 （ a ） NCAG/Fe–Cu 碳氣凝膠的制備示意圖。（ b ） NCAG/Fe–Cu 的 TEM 和（ c ） H AADF–STEM 圖。（ d ） c 圖中紅框的強度分布和（ e ） EELS 光譜 圖 。（ f ） NCAG/Fe–Cu 的 STEM 圖和相應(yīng)的元素 分布 圖。

圖 3   NCAG/Fe–Cu 、 NCAG/Fe–Fe 、 Fe 箔和 FePc 的（ a ） Fe K 邊 XANES 和（ b ） EXAFS 曲線。（ c ） NCAG/Fe–Cu 、 Cu 箔和 CuP 的 Cu K 邊 XANES 曲線。（ d ） NCAG/Fe–Cu 和（ e ） NCAG/Fe–Fe 的 57 Fe 穆斯堡爾譜。（ f ） NCAG/Fe–Cu 和 NCAG/Fe–F e   的 EPR 譜。（ g ）納米孔上雙金屬位點的磁矩對 ΔG OH*   的調(diào)節(jié)作用。
 

圖 4  NCAG/Fe–Cu 、 NCAG/Fe–Fe 和商業(yè) Pt/C 在 0.1 M KOH 中的 （ a ） LSV 曲線，（ b ） J k （ 0.85 V ）和 E 1/2 。（ c ） NCAG/Fe–Cu 、 NCAG/Fe–Fe 和商業(yè) Pt/C 在 0.1 M HClO 4 中的 LSV 曲線。 NCAG/Fe–Cu 、 NCAG/Fe–Fe 和商業(yè) Pt/C 在 1.0 M PBS 中的（ d ） LSV 曲線，（ e ） J k （ 0.85 V ） 和 E 1/2 。（ f ） 1.0 M PBS 中耐久性測試。
 

 
圖 5 以 NCAG/Fe–Cu 和 Pt/C 作為陰極催化劑 的 中性 / 準固態(tài)鋁空氣電池的（ a ）開路電壓，（ b ） 0% 、 20% 、 40% 和 60% 壓縮時的放電極化和相應(yīng)的功率密度曲線，（ c ）中性 / 準固態(tài)鋁空氣電池的恒流放電測試。（ d ） NCAG/Fe–Cu 組裝的中性 / 液態(tài)鋁空氣電池的開路電壓、（ e ）放電極化曲線和相應(yīng)的功率密度，（ f ）恒流放電測試。
 

總結(jié)與展望

第一性原理計算結(jié)果表明， FeN 4 中的 Fe 電子 自旋態(tài)（磁矩）可以通過摻入第二個相鄰金屬原子來 改變 ，從而實現(xiàn) ORR 催化活性的調(diào)控。這種調(diào)控作用對于位于納米孔邊緣的 FeN 4   位點比在本體位點的 FeN 4 上要強得多。理論和實驗結(jié)果證明，當在 FeN 4 位點引入相鄰的 Cu 原子位點形成 Fe–Cu 異核雙原子對時， Fe 的自旋磁矩降低， ORR 絕速步驟的能壘降低。所得的 NCAG/Fe–Cu 復(fù)合材料表現(xiàn)出 顯著 的 ORR 活性，在堿性、中性和酸性介質(zhì)中的半波電位分別為 +0.94 V 、 +0.84 V 和 +0.78 V 。當 NCAG/Fe–Cu 作為中性 / 準固態(tài)鋁空氣或鋅空氣電池的陰極催化劑時， 所組裝得到的 電池具有超高開路電壓（ 2.00 V ， 1.51 V ），大功率密度（ 130 mA cm –2 , 186 mA cm –2 ） ，以及良好的機械柔韌性，明顯優(yōu)于商業(yè) Pt/C （或 Pt/C–RuO 2 ）。 以上 研究結(jié)果證明金屬位點的電子自旋態(tài)在調(diào)節(jié) ORR 催化活性中的 具有 重要意義， 為合理合計 高 效新能源 電催化劑 提供了一種新思路 。
論文第一作者為中南大學(xué)化學(xué)化工院何庭博士 后 和陳陽博士生，論文通訊作者為中南大學(xué)化學(xué)化工院張翼，加州大學(xué)圣克魯斯分校陳少偉和湘潭大學(xué)歐陽曉平。中南大學(xué)化學(xué)化工院為論文第一完成單位，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金的支持。
原文鏈接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201007

作者簡介

向上滑動閱覽

張翼教授， 中南大學(xué)，博士生導(dǎo)師。本科及碩士畢業(yè)于新疆大學(xué)。中科院化學(xué)所與德國馬普膠體界面研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士。 2008 年留學(xué)歸國加入中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院。中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院自組裝功能材料方向?qū)W術(shù)帶頭人，新疆大學(xué) “ 天山學(xué)者 ” 計劃獲得者。國家自然科學(xué)基金、科技部 973 項目評審專家。江蘇省質(zhì)量專家。從事天然小分子及多肽自組裝研究近 20 年，主要研究方向包括水凝膠、氣凝膠、功能材料的研發(fā)及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，單原子催化劑的設(shè)計及規(guī)模化制備。獨立工作以來以通訊作者在 Nature Comm. ， J. Am. Chem. Soc. Angew. Chem. Int. ED, Adv Mater. 等國際學(xué)術(shù)刊物發(fā)表 SCI 論文 60 余篇，主持國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目 1 項，   面上項目 4 項。等項目 10 余項。目前為中國化學(xué)會會員、美國化學(xué)會會員、湖南省可再生能源學(xué)會理事，擔任中國化學(xué)快報國際版（ CCL ）編委， Nature Chemistry, J. Am. Chem. SOC., A ngew. Chem. Int. ED, Adv Mater. 等 20 多個國際權(quán)威雜志的特約審稿人。
陳少偉教授 ， 1991 年本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，然后留學(xué)美國康內(nèi)爾大學(xué)，于 1993 年獲得碩士學(xué)位， 1996 年獲得博士學(xué)位；在北卡萊羅納大學(xué)從事兩年博士后研究后，于 1998 年在南伊利諾伊大學(xué)開始獨立研究，并于 2004 年加入加州大學(xué)圣克魯茲分校，現(xiàn)為化學(xué)與生物化學(xué)系教授。研究方向為能源轉(zhuǎn)儲電催化劑，納米顆粒 – 有機配體界面電子轉(zhuǎn)移機理與應(yīng)用，雙面神納米顆粒，殺菌材料等。在 Science, Nat. Mater., Nat. Commun. ， J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.  等學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表 400 余篇研究論文，總被引次數(shù)大于 26000 ， H 因子 84 ，入選 2018 ， 2020 ， 2021 年高被引科學(xué)家。 2021 年當選皇家化學(xué)會會士。

相關(guān)進展

中南大學(xué)張翼和加州大學(xué)圣克魯斯分校陳少偉 CEJ：碳氣凝膠負載原子分散級釕作為高效全pH析氫電催化劑

中南大學(xué)張翼教授課題組：金屬凝膠發(fā)展與應(yīng)用系統(tǒng)性評述

中南大學(xué)劉敏教授和加州圣克魯茲分校陳少偉教授CEJ：局域電場提高離子吸附獲得高性能堿性水分解

化學(xué)與材料科學(xué)原創(chuàng)文章。歡迎個人轉(zhuǎn)發(fā)和分享，刊物或媒體如需轉(zhuǎn)載，請聯(lián)系郵箱：chen@chemshow.cn

掃二維碼｜關(guān)注我們

微信號 : Chem-MSE

誠邀投稿

歡迎專家學(xué)者提供化學(xué)化工、材料科學(xué)與工程產(chǎn)學(xué)研方面的稿件至chen@chemshow.cn，并請注明詳細聯(lián)系信息?；瘜W(xué)與材料科學(xué)?會及時選用推送。

版權(quán)：如無特殊注明，文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，侵權(quán)請聯(lián)系cnmhg168#163.com刪除！文件均為網(wǎng)友上傳，僅供研究和學(xué)習(xí)使用，務(wù)必24小時內(nèi)刪除。
相關(guān)推薦