សូមអរគុណសម្រាប់ការទស្សនា Nature.com ។អ្នកកំពុងប្រើកំណែកម្មវិធីរុករកតាមអ៊ីនធឺណិតដែលមានការគាំទ្រ CSS មានកំណត់។សម្រាប់បទពិសោធន៍ដ៏ល្អបំផុត យើងសូមណែនាំឱ្យអ្នកប្រើកម្មវិធីរុករកតាមអ៊ីនធឺណិតដែលបានអាប់ដេត (ឬបិទមុខងារភាពឆបគ្នានៅក្នុង Internet Explorer)។លើសពីនេះទៀត ដើម្បីធានាបាននូវការគាំទ្របន្ត យើងបង្ហាញគេហទំព័រដោយគ្មានរចនាប័ទ្ម និង JavaScript។
គ្រាប់រំកិលបង្ហាញអត្ថបទបីក្នុងមួយស្លាយ។ប្រើប៊ូតុងខាងក្រោយ និងបន្ទាប់ដើម្បីផ្លាស់ទីតាមស្លាយ ឬប៊ូតុងឧបករណ៍បញ្ជាស្លាយនៅចុងបញ្ចប់ដើម្បីផ្លាស់ទីតាមស្លាយនីមួយៗ។
អេឡិចត្រូកាតាលីករកាត់បន្ថយអុកស៊ីហ្សែន (ORR) ដែលមានប្រសិទ្ធភាព មានតំលៃថោក និងប្រើប្រាស់បានយូរគឺមានសារៈសំខាន់សម្រាប់អាគុយ Zn-air បន្ទាប់បន្សំ។សកម្មភាព ORR នៃអុកស៊ីដលោហៈតែមួយ និងចម្រុះ និងអេឡិចត្រូកាបូនត្រូវបានស៊ើបអង្កេតដោយប្រើរង្វាស់អេឡិចត្រូតឌីសបង្វិល (RDE) ជម្រាល Tafel និងដី Kutetsky-Levich ។វាត្រូវបានគេរកឃើញថាការរួមបញ្ចូលគ្នានៃ MnOx និង XC-72R បង្ហាញពីសកម្មភាព PBP ខ្ពស់ និងស្ថេរភាពល្អរហូតដល់ 100 mA cm-2 ។ដំណើរការនៃអេឡិចត្រូត ORR ដែលបានជ្រើសរើស និងអេឡិចត្រូតប្រតិកម្មវិវត្តអុកស៊ីតកម្ម (OER) ដែលត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរពីមុនត្រូវបានសាកល្បងនៅក្នុងថ្មស័ង្កសីខ្យល់បន្ទាប់បន្សំដែលផលិតដោយខ្លួនឯងនៅក្នុងការកំណត់រចនាសម្ព័ន្ធអេឡិចត្រូតបី ហើយដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ន ម៉ូលេគុលអេឡិចត្រូលីត សីតុណ្ហភាព ភាពបរិសុទ្ធនៃអុកស៊ីសែនត្រូវបាន បានសាកល្បងផងដែរ។លក្ខណៈពិសេសនៃ ORR និង OERអេឡិចត្រូត.ទីបំផុតភាពធន់នៃប្រព័ន្ធស័ង្កសី-ខ្យល់ទីពីរត្រូវបានវាយតម្លៃដោយបង្ហាញពីប្រសិទ្ធភាពថាមពល 58-61% នៅ 20 mA cm-2 ក្នុង 4 M NaOH + 0.3 M ZnO នៅ 333 K រយៈពេល 40 ម៉ោង។
ថ្មដែក-ខ្យល់ដែលមានអេឡិចត្រូតអុកស៊ីហ៊្សែនត្រូវបានចាត់ទុកថាជាប្រព័ន្ធដ៏គួរឱ្យទាក់ទាញបំផុត ពីព្រោះវត្ថុធាតុអេឡិចត្រូតសម្រាប់អេឡិចត្រូតអុកស៊ីហ្សែនអាចទទួលបានយ៉ាងងាយស្រួលពីបរិយាកាសជុំវិញ ហើយមិនត្រូវការការផ្ទុក1.នេះជួយសម្រួលដល់ការរចនាប្រព័ន្ធដោយអនុញ្ញាតឱ្យអេឡិចត្រូតអុកស៊ីសែនមានសមត្ថភាពគ្មានដែនកំណត់ ដោយហេតុនេះបង្កើនដង់ស៊ីតេថាមពលនៃប្រព័ន្ធ។ដូច្នេះ ថ្មដែក-ខ្យល់ ដោយប្រើវត្ថុធាតុ anode ដូចជា លីចូម អាលុយមីញ៉ូម ជាតិដែក ស័ង្កសី និងម៉ាញេស្យូមបានលេចចេញដោយសារតែសមត្ថភាពជាក់លាក់ដ៏ល្អរបស់ពួកគេ។ក្នុងចំណោមនោះ អាគុយខ្យល់ស័ង្កសីមានសមត្ថភាពគ្រប់គ្រាន់ក្នុងការបំពេញតម្រូវការទីផ្សារសម្រាប់តម្លៃ សុវត្ថិភាព និងភាពស្និទ្ធស្នាលបរិស្ថាន ចាប់តាំងពីស័ង្កសីមានលក្ខណៈគួរឱ្យចង់បានជាច្រើនដូចជាសម្ភារៈ anode ដូចជាស្ថេរភាពល្អនៅក្នុងអេឡិចត្រូលីត aqueous ដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ និងលំនឹងទាប។សក្តានុពល។ ភាពច្រាសមកវិញនៃអេឡិចត្រូគីមី ចរន្តអគ្គិសនីល្អ ភាពសម្បូរបែប និងភាពងាយស្រួលនៃការគ្រប់គ្រង 4,5 ។បច្ចុប្បន្ននេះ ទោះបីជាអាគុយខ្យល់ស័ង្កសីបឋមត្រូវបានប្រើប្រាស់ក្នុងកម្មវិធីពាណិជ្ជកម្មដូចជាឧបករណ៍ស្តាប់ សញ្ញាផ្លូវដែក និងភ្លើងរុករកក៏ដោយ អាគុយខ្យល់ស័ង្កសីបន្ទាប់បន្សំមានសក្តានុពលសម្រាប់ដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ដែលអាចប្រៀបធៀបទៅនឹងថ្មដែលមានមូលដ្ឋានលើលីចូម។នេះធ្វើឱ្យវាមានប្រយោជន៍ក្នុងការបន្តការស្រាវជ្រាវលើអាគុយខ្យល់ស័ង្កសីសម្រាប់កម្មវិធីនៅក្នុងគ្រឿងអេឡិចត្រូនិចចល័ត រថយន្តអគ្គិសនី ការផ្ទុកថាមពលតាមក្រឡាចត្រង្គ និងដើម្បីគាំទ្រដល់ការផលិតថាមពលកកើតឡើងវិញ6,7។
គោលបំណងសំខាន់មួយគឺដើម្បីបង្កើនប្រសិទ្ធភាពនៃប្រតិកម្មអុកស៊ីហ្សែននៅអេឡិចត្រូតខ្យល់ ពោលគឺប្រតិកម្មកាត់បន្ថយអុកស៊ីហ៊្សែន (ORR) និងប្រតិកម្មវិវត្តន៍អុកស៊ីហ្សែន (OER) ដើម្បីលើកកម្ពស់ការធ្វើពាណិជ្ជកម្មនៃថ្ម Zn-air បន្ទាប់បន្សំ។ដល់ទីបញ្ចប់នេះ អេឡិចត្រូកាតាលីសដែលមានប្រសិទ្ធភាពអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីបង្កើនអត្រាប្រតិកម្ម ហើយដូច្នេះបង្កើនប្រសិទ្ធភាព។នាពេលបច្ចុប្បន្ននេះ អេឡិចត្រូតអុកស៊ីដដែលមានកាតាលីករមានមុខងារត្រូវបានពិពណ៌នាយ៉ាងល្អនៅក្នុងអក្សរសិល្ប៍ 8,9,10។ទោះបីជាកាតាលីករដែលមានមុខងារអាចសម្រួលរចនាសម្ព័ន្ធរបស់អេឡិចត្រូត និងកាត់បន្ថយការបាត់បង់ការផ្ទេរម៉ាស់ ដែលអាចជួយកាត់បន្ថយថ្លៃដើមផលិតកម្មក៏ដោយ ជាក់ស្តែង កាតាលីករដែលស័ក្តិសមបំផុតសម្រាប់ ORR ជារឿយៗមិនសមនឹង OER ហើយផ្ទុយមកវិញ 11 ។ភាពខុសគ្នានៃសក្ដានុពលប្រតិបត្តិការនេះបណ្តាលឱ្យកាតាលីករត្រូវបានលាតត្រដាងទៅនឹងសក្តានុពលដ៏ធំទូលាយដែលអាចផ្លាស់ប្តូររចនាសម្ព័ន្ធផ្ទៃរបស់វាតាមពេលវេលា។លើសពីនេះទៀតការពឹងផ្អែកគ្នាទៅវិញទៅមកនៃថាមពលចងកម្រិតមធ្យមមានន័យថាទីតាំងសកម្មនៅលើកាតាលីករអាចមានភាពខុសប្លែកគ្នាសម្រាប់ប្រតិកម្មនីមួយៗដែលអាចធ្វើអោយស្មុគស្មាញដល់ការបង្កើនប្រសិទ្ធភាព។
បញ្ហាចម្បងមួយទៀតសម្រាប់ថ្ម Zn-air បន្ទាប់បន្សំគឺការរចនានៃអុកស៊ីសែនអេឡិចត្រូតជាចម្បងដោយសារតែកាតាលីករ monofunctional សម្រាប់ ORR និង OER ដំណើរការនៅក្នុងប្រព័ន្ធផ្សព្វផ្សាយប្រតិកម្មផ្សេងៗគ្នា។ស្រទាប់បញ្ចេញឧស្ម័ន ORR ត្រូវតែមានលក្ខណៈ hydrophobic ដើម្បីអនុញ្ញាតឱ្យឧស្ម័នអុកស៊ីសែនចូលទៅក្នុងកន្លែងកាតាលីករ ខណៈដែលសម្រាប់ OER ផ្ទៃអេឡិចត្រូតត្រូវតែមានលក្ខណៈ hydrophilic ដើម្បីជួយសម្រួលដល់ការយកចេញនៃពពុះអុកស៊ីសែន។នៅលើរូបភព។1 បង្ហាញពីការរចនាអេឡិចត្រូតអុកស៊ីសែនបន្ទាប់បន្សំធម្មតាចំនួន 3 ដែលយកចេញពីការពិនិត្យឡើងវិញដោយ Jorissen12 ពោលគឺ (i) កាតាលីករ monolayer bifunctional (ii) កាតាលីករទ្វេ ឬច្រើន និង (iii) ការកំណត់រចនាសម្ព័ន្ធអេឡិចត្រូតបីដង។
សម្រាប់ការរចនាអេឡិចត្រូតដំបូងដែលរួមបញ្ចូលកាតាលីករទ្វេមុខងារតែមួយស្រទាប់ដែលក្នុងពេលដំណាលគ្នាកាតាលីករ ORR និង OER ប្រសិនបើភ្នាសត្រូវបានរួមបញ្ចូលនៅក្នុងការរចនានេះ នោះការផ្គុំភ្នាស-អេឡិចត្រូត (MEA) ត្រូវបានបង្កើតឡើងដូចដែលបានបង្ហាញ។ប្រភេទទី 2 រួមមានគ្រែកាតាលីករពីរ (ឬច្រើន) ដែលមាន porosity និង hydrophobicity ខុសៗគ្នា ដើម្បីគណនាភាពខុសគ្នានៅក្នុងតំបន់ប្រតិកម្ម 13,14,15 ។ក្នុងករណីខ្លះ គ្រែកាតាលីករទាំងពីរត្រូវបានបំបែកដោយផ្នែក hydrophilic នៃ OER ប្រឈមមុខនឹងអេឡិចត្រូលីត និងផ្នែកពាក់កណ្តាល hydrophobic នៃ ORR ប្រឈមមុខនឹងចុងចំហនៃអេឡិចត្រូត 16, 17, 18 ។ កោសិកាមួយដែលមានប្រតិកម្មពីរ - អេឡិចត្រូតអុកស៊ីហ្សែនជាក់លាក់ និងអេឡិចត្រូតស័ង្កសី 19,20 ។តារាង S1 រាយបញ្ជីគុណសម្បត្តិ និងគុណវិបត្តិនៃការរចនានីមួយៗ។
ការអនុវត្តការរចនាអេឡិចត្រូតដែលបំបែកប្រតិកម្ម ORR និង OER ពីមុនបានបង្ហាញឱ្យឃើញពីភាពប្រសើរឡើងនៃការជិះកង់19។នេះជាការពិតជាពិសេសសម្រាប់ការកំណត់រចនាសម្ព័ន្ធអេឡិចត្រូតទាំងបី ដែលការរិចរិលនៃកាតាលីករមិនស្ថិតស្ថេរ និងសារធាតុបន្ថែមត្រូវបានបង្រួមអប្បបរមា ហើយការបញ្ចេញឧស្ម័នអាចគ្រប់គ្រងបានច្រើនជាងលើជួរសក្តានុពលទាំងមូល។សម្រាប់ហេតុផលទាំងនេះ យើងបានប្រើការកំណត់រចនាសម្ព័ន្ធ Zn-air អេឡិចត្រូតបីនៅក្នុងការងារនេះ។
នៅក្នុងអត្ថបទនេះ ជាដំបូងយើងជ្រើសរើសកាតាលីករ ORR ដែលដំណើរការខ្ពស់ដោយប្រៀបធៀបអុកស៊ីដលោហៈផ្លាស់ប្តូរផ្សេងៗ សមា្ភារៈកាបូន និងកាតាលីករយោងជាមួយនឹងការពិសោធន៍អេឡិចត្រូតឌីសបង្វិល (RDE) ។ការផ្លាស់ប្តូរអុកស៊ីដលោហៈមានទំនោរទៅជា electrocatalysts ដ៏ល្អដោយសារតែរដ្ឋអុកស៊ីតកម្មខុសគ្នារបស់ពួកគេ;ប្រតិកម្មត្រូវបានបង្កើតយ៉ាងងាយស្រួលជាងនៅក្នុងវត្តមាននៃសមាសធាតុទាំងនេះ 21.ឧទាហរណ៍ អុកស៊ីដម៉ង់ហ្គាណែស អុកស៊ីដ cobalt និងអុកស៊ីដចម្រុះដែលមានមូលដ្ឋានលើ cobalt (ដូចជា NiCo2O4 និង MnCo2O4) 22,23,24 បង្ហាញ ORR ល្អនៅក្នុងលក្ខខណ្ឌអាល់កាឡាំងដោយសារតែ d-orbitals ពាក់កណ្តាលរបស់ពួកគេ កម្រិតថាមពលអេឡិចត្រុងដែលអនុញ្ញាតឱ្យមានអេឡិចត្រុង។ ធ្វើការ និងកែលម្អភាពងាយស្រួលនៃការកាត់។លើសពីនេះទៀតពួកវាមានច្រើននៅក្នុងបរិស្ថាននិងមានចរន្តអគ្គិសនីដែលអាចទទួលយកបាន ប្រតិកម្មខ្ពស់ និងស្ថេរភាពល្អ។ស្រដៀងគ្នានេះដែរ សមា្ភារៈកាបូនត្រូវបានប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយ មានគុណសម្បត្តិនៃចរន្តអគ្គិសនីខ្ពស់ និងផ្ទៃធំ។ក្នុងករណីខ្លះ សារធាតុ heteroatoms ដូចជា អាសូត បូរ៉ុន ផូស្វ័រ និងស្ពាន់ធ័រ ត្រូវបានបញ្ចូលទៅក្នុងកាបូន ដើម្បីកែប្រែរចនាសម្ព័ន្ធរបស់វា ធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវលក្ខណៈ ORR នៃវត្ថុធាតុទាំងនេះ។
ដោយផ្អែកលើលទ្ធផលពិសោធន៍ យើងបានរួមបញ្ចូលកាតាលីករ OVR ដែលបានជ្រើសរើសនៅក្នុងអេឡិចត្រូតបញ្ចេញឧស្ម័ន (GDE) ហើយបានសាកល្បងពួកវានៅដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នផ្សេងៗ។បន្ទាប់មក កាតាលីករ ORR GDE ដែលមានប្រសិទ្ធភាពបំផុតត្រូវបានផ្គុំចូលទៅក្នុងថ្ម Zn-air បន្ទាប់បន្សំចំនួន 3-electrode របស់យើង រួមជាមួយនឹងអេឡិចត្រូត OER ជាក់លាក់នៃប្រតិកម្មដែលត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងនៅក្នុងការងារមុនរបស់យើង 26,27 ។សក្ដានុពលនៃអេឡិចត្រូតអុកស៊ីហ្សែននីមួយៗត្រូវបានត្រួតពិនិត្យកំឡុងពេលការបង្ហូរចេញជាបន្តបន្ទាប់ និងការពិសោធន៍ជិះកង់ដើម្បីសិក្សាពីឥទ្ធិពលនៃលក្ខខណ្ឌប្រតិបត្តិការដូចជា ដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ន កំហាប់អេឡិចត្រូលីត សីតុណ្ហភាពប្រតិបត្តិការកោសិកា និងភាពបរិសុទ្ធនៃអុកស៊ីសែន។ជាចុងក្រោយ ស្ថេរភាពនៃថ្មបន្ទាប់បន្សំ Zn-air ត្រូវបានវាយតម្លៃក្រោមការជិះកង់ជាបន្តបន្ទាប់ក្រោមលក្ខខណ្ឌប្រតិបត្តិការល្អបំផុត។
MnOx28 ត្រូវបានរៀបចំដោយវិធីសាស្រ្ត redox គីមី៖ 50 ml នៃដំណោះស្រាយ 0.04 M KMnO4 (Fisher Scientific, 99%) ត្រូវបានបន្ថែមទៅ 100 មីលីលីត្រនៃ 0.03 M Mn(CH3COO)2 (Fisher Scientific, 98%) ដើម្បីបង្កើតជាទឹកភ្លៀងពណ៌ត្នោត។ល្បាយនេះត្រូវបានលៃតម្រូវទៅ pH 12 ជាមួយនឹង dilute sodium hydroxide បន្ទាប់មក centrifuged 3-5 ដងនៅ 2500 rpm ដើម្បីប្រមូល precipitate ។បន្ទាប់មកទឹកភ្លៀងត្រូវបានទឹកនាំទៅដោយទឹក deionized រហូតដល់ពណ៌ស្វាយនៃអ៊ីយ៉ុង permanganate បាត់។ទីបំផុតប្រាក់បញ្ញើត្រូវបានសម្ងួតដោយខ្យល់នៅតម្លៃ 333 K ពេញមួយយប់ ហើយបន្ទាប់មកត្រូវបានបិត។
Spinel oxides Co3O4, NiCo2O4, និង MnCo2O4 ត្រូវបានសំយោគដោយការរលាយកម្ដៅ។NiCo2O4 និង MnCo2O4 ត្រូវបានរៀបចំដោយបន្ថែម 0.5 M (14.5 ក្រាម) នីកែល (II) nitrate hexahydrate, Ni(NO3)2⋅6H2O (Fisher Scientific, 99.9%) ឬ 0.5 M (12.6 ក្រាម) tetrahydrate manganese(II) nitrate (II) nitrate ))2 4H2O (Sigma Aldrich, ≥ 97%) និង 1 M (29.1 g) cobalt(II) nitrate hexahydrate, Co(NO3)2 6H2O (Fisher Scientific, 98+%, ACS reagents) ក្នុងមេតាណុល (Fisher Scientific ,% 99.9 ល) ក្នុង​ដប​ទឹក​រលាយ ១០០ មីលីលីត្រ។មេតាណុលត្រូវបានបន្ថែមក្នុងផ្នែកតូចៗទៅក្នុងលោហៈធាតុផ្លាស់ប្តូរនីត្រាតជាមួយនឹងការកូរជាបន្តបន្ទាប់រហូតដល់ដំណោះស្រាយដូចគ្នាត្រូវបានទទួល។បន្ទាប់មក សូលុយស្យុង​ត្រូវ​បាន​ផ្ទេរ​ទៅ​ដាក់​ក្នុង​ចង្ក្រាន និង​កំដៅ​លើ​ចាន​ក្តៅ ដោយ​បន្សល់​ទុក​នូវ​សារធាតុ​រឹង​ពណ៌​ក្រហម​ខ្មៅ។អង្គធាតុរឹងត្រូវបាន calcined នៅ 648 K សម្រាប់ 20 ម៉ោងនៅលើអាកាស។បន្ទាប់មក រឹងលទ្ធផលត្រូវបានកិនទៅជាម្សៅល្អ។គ្មាន Ni(NO3)2 6H2O ឬ Mn(NO3)2 4H2O ត្រូវបានបន្ថែមកំឡុងពេលសំយោគនៃ Co3O4។
Graphene nanosheets ដែលមានផ្ទៃក្រឡា 300 m2/g (Sigma Aldrich), graphene doped with nitrogen (Sigma Aldrich), carbon black powder (Vulcan XC-72R, Cabot Corp., 100%), MnO2 (Sigma Aldrich) និង 5 wt.% Pt/C (Acros Organics) ត្រូវ​បាន​ប្រើ​ដូច​ជា។
ការវាស់វែង RDE (Pine Research Instrumentation) ត្រូវបានប្រើដើម្បីវាយតម្លៃសកម្មភាពរបស់កាតាលីករ ORR ផ្សេងៗក្នុង 1 M NaOH ។ទឹកថ្នាំកាតាលីករដែលមានកាតាលីករ 1 mg + 1 ml deionized (DI) H2O + 0.5 ml isopropanol (IPA) + 5 µl 5 wt% Nafion 117 (Sigma-Aldrich) ត្រូវបានគេប្រើ។នៅពេលដែល Vulcan XC-72R ត្រូវបានបន្ថែម ថ្នាំលាបកាតាលីករមានកាតាលីករ 0.5 mg + 0.5 mg Vulcan XC-72R + 1 ml DI HO + 0.5 ml IPA + 5 µl 5 wt% Nafion 117 ដើម្បីធានាបាននូវការផ្ទុកសម្ភារៈជាប់លាប់។ល្បាយនេះត្រូវបានបន្លឺឡើងរយៈពេល 20 នាទី ហើយត្រូវបានលាយបញ្ចូលគ្នាដោយប្រើប្រាស់ Cole-Parmer LabGen 7 Series homogenizer នៅ 28,000 rpm រយៈពេល 4 នាទី។បន្ទាប់មក ទឹកថ្នាំ​ត្រូវ​បាន​គេ​យក​ទៅ​លាប​លើ​ផ្ទៃ​អេឡិចត្រូត​កាបូន​កញ្ចក់ (ក្រុមហ៊ុន​ឧបករណ៍​ស្រល់) ដែលមាន​អង្កត់ផ្ចិត ៤ម. -២.រវាងកម្មវិធី ផ្ទៃអេឡិចត្រូតកាបូនកញ្ចក់ត្រូវបានប៉ូលាសើមជាបន្តបន្ទាប់ជាមួយនឹង MicroCloth (Buehler) និងម្សៅអាលុយមីញ៉ូម 1.0 mm និង 0.5 mm (MicroPolish, Buehler) អមដោយ sonication នៅក្នុង deionized H2O។
សំណាកអេឡិចត្រូតដែលសាយភាយឧស្ម័ន ORR ត្រូវបានរៀបចំដោយយោងតាមពិធីការ 28 ដែលបានពិពណ៌នាពីមុនរបស់យើង។ដំបូង ម្សៅកាតាលីករ និង Vulcan XC-72R ត្រូវបានលាយបញ្ចូលគ្នាក្នុងសមាមាត្រទម្ងន់ 1:1 ។បន្ទាប់មកល្បាយនៃដំណោះស្រាយនៃសារធាតុ polytetrafluoroethylene (PTFE) (60 wt.% ក្នុង H2O) និងសារធាតុរំលាយដែលមានសមាមាត្រនៃ IPA/H2O នៃ 1: 1 ត្រូវបានបន្ថែមទៅល្បាយម្សៅស្ងួត។Sonicate the catalytic paint for about 20 នាទីនិង homogenize ប្រហែល 4 នាទីនៅ 28,000 rpm ។បន្ទាប់មក ទឹកថ្នាំត្រូវបានគេលាបស្តើងៗជាមួយ spatula លើក្រដាសកាបូនដែលបានកាត់ជាមុន 13 mm អង្កត់ផ្ចិត (AvCarb GDS 1120) ហើយស្ងួតរហូតដល់មាតិកាកាតាលីករ 2 mg cm2 ត្រូវបានឈានដល់។
អេឡិចត្រូត OER ត្រូវបានប្រឌិតដោយអេឡិចត្រូត cathodic នៃកាតាលីករ Ni-Fe hydroxide ទៅលើដែកអ៊ីណុកទំហំ 15 mm x 15 mmសំណាញ់(DeXmet Corp, 4SS 5-050) ដូចដែលបានរាយការណ៍ 26,27 ។អេឡិចត្រូតត្រូវបានអនុវត្តនៅក្នុងកោសិកាពាក់កណ្តាលអេឡិចត្រូតបីស្តង់ដារ (ក្រឡាកញ្ចក់ដែលស្រោបដោយវត្ថុធាតុ polymer ប្រហែល 20 សង់ទីម៉ែត្រ3) ជាមួយនឹងក្រឡាចត្រង្គ Pt ជាអេឡិចត្រូតប្រឆាំង និង Hg/HgO ក្នុង 1 M NaOH ជាអេឡិចត្រូតយោង។អនុញ្ញាតឱ្យសំណាញ់ដែកអ៊ីណុកដែលស្រោបដោយកាតាលីករ ដើម្បីឱ្យខ្យល់ស្ងួត មុនពេលកាត់ផ្ទៃប្រហែល 0.8 cm2 ដោយប្រើកណ្តាប់ដៃដែកកាបូនក្រាស់ 10 មីលីម៉ែត្រ។
សម្រាប់ការប្រៀបធៀប អេឡិចត្រូត ORR និង OER ពាណិជ្ជកម្មត្រូវបានគេប្រើដូចដែលបានទទួល និងធ្វើតេស្តក្រោមលក្ខខណ្ឌដូចគ្នា។អេឡិចត្រូត ORR ពាណិជ្ជកម្ម (QSI Nano Gas Diffusion Electrode, Quantum Sphere, 0.35 mm) មានផ្ទុកម៉ង់ហ្គាណែស និងកាបូនអុកស៊ីតដែលស្រោបដោយឧបករណ៍ប្រមូលចរន្តសំណាញ់នីកែល ខណៈដែលអេឡិចត្រូត OER ពាណិជ្ជកម្ម (ប្រភេទ 1.7, ពិសេស Magneto anode, BV) មានកម្រាស់ 1.3 មសំណាញ់ទីតានីញ៉ូមពង្រីករហូតដល់ 1.6 មីលីម៉ែត្រ ស្រោបដោយអុកស៊ីដលោហៈចម្រុះ Ru-Ir ។
រូបវិទ្យាផ្ទៃ និងសមាសភាពនៃកាតាលីករត្រូវបានកំណត់លក្ខណៈដោយប្រើមីក្រូទស្សន៍អេឡិចត្រុងស្កែន FEI Quanta 650 FEG (SEM) ដែលដំណើរការក្រោមការខ្វះចន្លោះខ្ពស់ និងវ៉ុលបង្កើនល្បឿន 5 kV ។ទិន្នន័យនៃការបំភាយកាំរស្មី X ម្សៅ (XRD) ត្រូវបានប្រមូលនៅលើឧបករណ៍វាស់ស្ទង់ Bruker D8 Advance X-ray diffraction ជាមួយនឹងប្រភពបំពង់ស្ពាន់ (λ = 1.5418 Å) និងវិភាគដោយប្រើកម្មវិធី Bruker Diffraction Suite EVA ។
ការវាស់ស្ទង់អេឡិចត្រូគីមីទាំងអស់ត្រូវបានអនុវត្តដោយប្រើ Biologic SP-150 potentiostat និងកម្មវិធី EC-lab ។គំរូនៃ RDE និង GDE ត្រូវបានសាកល្បងលើការដំឡើងស្តង់ដារ 3-electrode ដែលមានក្រឡាកញ្ចក់អាវ 200 cm3 និង Laggin capillary ជាអេឡិចត្រូតយោង។Pt mesh និង Hg/HgO ក្នុង 1 M NaOH ត្រូវបានគេប្រើជាអេឡិចត្រូតរាប់ និងយោងរៀងៗខ្លួន។
សម្រាប់ការវាស់វែង RDE ក្នុងការពិសោធន៍នីមួយៗ អេឡិចត្រូលីត 1 M NaOH ស្រស់ត្រូវបានប្រើ សីតុណ្ហភាពត្រូវបានរក្សាទុកថេរនៅ 298 K ដោយប្រើអាងទឹកដែលចរាចរ (TC120, Grant) ។ឧស្ម័នអុកស៊ីហ្សែន (BOC) ត្រូវបានពពុះចូលទៅក្នុងអេឡិចត្រូលីតតាមរយៈកញ្ចក់កញ្ចក់ដែលមាន porosity 25-50 µm យ៉ាងហោចណាស់ 30 នាទីមុនពេលពិសោធន៍នីមួយៗ។ដើម្បីទទួលបានខ្សែកោងរាងប៉ូល ORR សក្តានុពលត្រូវបានស្កេនពី 0.1 ដល់ -0.5 V (ទាក់ទងទៅនឹង Hg/HgO) ក្នុងអត្រាស្កេន 5 mV s -1 នៅ 400 rpm ។វ៉ុលតាំម៉ូក្រាមស៊ីក្លូត្រូវបានទទួលដោយការពង្រីកសក្តានុពលរវាង 0 និង -1.0 V និង Hg/HgO ក្នុងអត្រា 50 mV s-1 ។
សម្រាប់ការវាស់វែង HDE អេឡិចត្រូលីត 1 M NaOH ត្រូវបានរក្សានៅ 333 K ជាមួយនឹងអាងទឹកដែលហូរ។តំបន់សកម្ម 0.8 cm2 ត្រូវបានប៉ះពាល់ទៅនឹងអេឡិចត្រូលីតជាមួយនឹងការផ្គត់ផ្គង់អុកស៊ីសែនជាបន្តបន្ទាប់ទៅផ្នែកខាងក្រោយនៃអេឡិចត្រូតក្នុងអត្រា 200 cm3/min ។ចម្ងាយថេររវាងអេឡិចត្រូតធ្វើការ និងអេឡិចត្រូតយោងគឺ 10 មម ហើយចម្ងាយរវាងអេឡិចត្រូតធ្វើការ និងអេឡិចត្រូតប្រឆាំងគឺ 13-15 ម។លួសនីកែល និងសំណាញ់ផ្តល់ទំនាក់ទំនងអគ្គិសនីនៅផ្នែកខាងឧស្ម័ន។ការវាស់វែង Chronopotentiometric ត្រូវបានគេយកនៅ 10, 20, 50 និង 100 mA cm-2 ដើម្បីវាយតម្លៃស្ថេរភាព និងប្រសិទ្ធភាពនៃអេឡិចត្រូត។
លក្ខណៈនៃអេឡិចត្រូត ORR និង OER ត្រូវបានគេវាយតម្លៃនៅក្នុងក្រឡាកញ្ចក់ដែលមានទំហំ 200 cm3 ជាមួយនឹងការបញ្ចូល PTFE29 ។ដ្យាក្រាមគ្រោងការណ៍នៃប្រព័ន្ធត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាព S1 ។អេឡិចត្រូតនៅក្នុងថ្មត្រូវបានភ្ជាប់នៅក្នុងប្រព័ន្ធអេឡិចត្រូតបី។អេឡិចត្រូតដែលកំពុងដំណើរការមាន ORR និងអេឡិចត្រូត OER ជាក់លាក់នៃប្រតិកម្មដាច់ដោយឡែកដែលភ្ជាប់ទៅនឹងម៉ូឌុលបញ្ជូនត (Songle, SRD-05VDC-SL-C) និងឧបករណ៍បញ្ជាមីក្រូ (Raspberry Pi 2014© ម៉ូដែល B+V1.2) ដែលមានស័ង្កសី anode ។ជាគូ អេឡិចត្រូត និងអេឡិចត្រូតយោង Hg/HgO ក្នុង 4 M NaOH ស្ថិតនៅចម្ងាយ 3 មីលីម៉ែត្រពីស័ង្កសី anode ។ស្គ្រីប Python ត្រូវបានសរសេរដើម្បីដំណើរការ និងគ្រប់គ្រង Raspberry Pi និង Relay Module។
ក្រឡាត្រូវបានកែប្រែដើម្បីផ្ទុកស័ង្កសី foil anode (Goodfellow កម្រាស់ 1 ម, 99.95%) និងគម្របវត្ថុធាតុ polymer អនុញ្ញាតឱ្យដាក់អេឡិចត្រូតនៅចម្ងាយថេរប្រហែល 10 ម៉ែត្រ។4 ម។ដោតកៅស៊ូនីទ្រីលបានជួសជុលអេឡិចត្រូតនៅក្នុងគម្រប ហើយខ្សភ្លើងនីកែល (Alfa Aesar អង្កត់ផ្ចិត 0.5 ម.anode foil ស័ង្កសីត្រូវបានសម្អាតដំបូងជាមួយ isopropanol ហើយបន្ទាប់មកជាមួយនឹងទឹក deionized ហើយផ្ទៃនៃ foil ត្រូវបានគ្របដោយកាសែត polypropylene (Avon, AVN9811060K, 25 µm ក្រាស់) ដើម្បីបង្ហាញតំបន់សកម្មប្រហែល 0.8 cm2 ។
ការពិសោធន៍ជិះកង់ទាំងអស់ត្រូវបានអនុវត្តនៅក្នុងអេឡិចត្រូលីត 4 M NaOH + 0.3 M ZnO នៅ 333 K លើកលែងតែមានការកត់សម្គាល់ផ្សេងទៀត។នៅក្នុងរូប Ewe ទាក់ទងនឹង Hg/HgO សំដៅលើសក្តានុពលនៃអេឡិចត្រូតអុកស៊ីហ្សែន (ORR និង OER) Ece ទាក់ទងនឹង Hg/HgO តំណាងឱ្យសក្តានុពលនៃអេឡិចត្រូតស័ង្កសី Ecell ទាក់ទងនឹង Hg/HgO តំណាងឱ្យពេញលេញ។ សក្តានុពលកោសិកា ឬភាពខុសគ្នាសក្តានុពល។រវាងសក្តានុពលថ្មពីរ។អុកស៊ីសែន ឬខ្យល់ដែលបានបង្ហាប់ត្រូវបានផ្គត់ផ្គង់ទៅផ្នែកខាងក្រោយនៃអេឡិចត្រូត OPP ក្នុងអត្រាលំហូរថេរ 200 សង់ទីម៉ែត្រ3/នាទី។ស្ថេរភាពនៃការជិះកង់ និងដំណើរការនៃអេឡិចត្រូតត្រូវបានសិក្សានៅដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ន 20 mA cm-2 ពេលវេលាវដ្ត 30 នាទី និងពេលវេលាសម្រាក OCV 1 នាទីរវាងពាក់កណ្តាលវដ្តនីមួយៗ។យ៉ាងហោចណាស់ 10 វដ្តត្រូវបានអនុវត្តសម្រាប់ការធ្វើតេស្តនីមួយៗ ហើយទិន្នន័យត្រូវបានស្រង់ចេញពីវដ្ត 1, 5 និង 10 ដើម្បីកំណត់ស្ថានភាពនៃអេឡិចត្រូតតាមពេលវេលា។
សរីរវិទ្យានៃកាតាលីករ ORR ត្រូវបានកំណត់លក្ខណៈដោយ SEM (រូបភាពទី 2) ហើយការវាស់វែងនៃការបំភាយកាំរស្មី X ម្សៅបានបញ្ជាក់ពីរចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់នៃគំរូ (រូបភាព 3) ។ប៉ារ៉ាម៉ែត្ររចនាសម្ព័ន្ធនៃគំរូកាតាលីករត្រូវបានផ្តល់ឱ្យក្នុងតារាងទី 1. 1. នៅពេលប្រៀបធៀបអុកស៊ីដម៉ង់ហ្គាណែស MnO2 ពាណិជ្ជកម្មនៅក្នុងរូបភព។2a មានភាគល្អិតធំៗ ហើយលំនាំបំប៉ោងក្នុងរូបទី 3a ត្រូវគ្នាទៅនឹង JCPDS 24-0735 សម្រាប់ tetragonal β-MnO2 ។ផ្ទុយទៅវិញ នៅលើផ្ទៃ MnOx នៅក្នុងរូបភាពទី 2b បង្ហាញភាគល្អិតល្អិតល្អន់ និងល្អិតល្អន់ ដែលឆ្លើយតបទៅនឹងលំនាំនៃការសាយភាយនៅក្នុងរូបភព។ 66° ត្រូវនឹងកំពូល (110), (220), (310), (211) និង (541) នៃ α-MnO2 hydrate ដែលផ្តោតលើ tetrahedrally, JCPDS 44-014028 ។
(a) MnO2, (b) MnOx, (c) Co3O4, (d) NiCo2O4, (e) MnCo2O4, (f) Vulcan XC-72R, (g) graphene, (h) អាសូត doped graphene (និង ) 5 wt .% Pt/C ។
គំរូកាំរស្មីអ៊ិចនៃ (a) MnO2, (b) MnOx, (c) Co3O4, (d) NiCo2O4, (e) MnCo2O4, (f) Vulcan XC-72R, អាសូត-doped graphene និង graphene និង (g) 5 % ប្លាទីន / កាបូន។
នៅលើរូបភព។2c–e ទម្រង់រូបវិទ្យាផ្ទៃនៃអុកស៊ីដដោយផ្អែកលើ cobalt Co3O4, NiCo2O4 និង MnCo2O4 មានចង្កោមនៃភាគល្អិតដែលមានទំហំមិនទៀងទាត់។នៅលើរូបភព។3c–e បង្ហាញថាការផ្លាស់ប្តូរទាំងអស់នេះលោហៈអុកស៊ីដមានរចនាសម្ព័ន្ធ spinel និងប្រព័ន្ធគ្រីស្តាល់គូបស្រដៀងគ្នា (JCPDS 01-1152, JCPDS 20-0781 និង JCPDS 23-1237 រៀងគ្នា) ។នេះបង្ហាញថាវិធីសាស្ត្រនៃការរលាយកំដៅគឺមានសមត្ថភាពផលិតអុកស៊ីដលោហៈគ្រីស្តាល់ខ្ពស់ ដូចដែលបានបង្ហាញដោយកំពូលដែលបានកំណត់យ៉ាងល្អនៅក្នុងលំនាំនៃការសាយភាយ។
រូបភាព SEM នៃសម្ភារៈកាបូនបង្ហាញពីការផ្លាស់ប្តូរដ៏ធំ។នៅលើរូបភព។2f Vulcan XC-72R carbon black មានផ្ទុកនូវសារធាតុ nanoparticles យ៉ាងក្រាស់។ផ្ទុយទៅវិញ រូបរាងរបស់ graphene នៅក្នុងរូបភព 2g គឺជាចានដែលមានភាពមិនប្រក្រតីខ្លាំងជាមួយនឹងការប្រមូលផ្តុំមួយចំនួន។ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ N-doped graphene (រូបភាព 2h) ហាក់ដូចជាមានស្រទាប់ស្តើង។គំរូនៃការបំភាយកាំរស្មីអ៊ិចដែលត្រូវគ្នានៃ Vulcan XC-72R, សន្លឹក nano graphene ពាណិជ្ជកម្ម និង N-doped graphene នៅក្នុងរូបភព។3f បង្ហាញការផ្លាស់ប្តូរតិចតួចនៅក្នុងតម្លៃ2θនៃកំពូលកាបូន (002) និង (100) ។Vulcan XC-72R ត្រូវបានកំណត់ថាជាក្រាហ្វិចប្រាំមួយនៅក្នុង JCPDS 41-1487 ដែលមានកំពូល (002) និង (100) លេចឡើងនៅ 24.5° និង 43.2° រៀងគ្នា។ស្រដៀងគ្នានេះដែរ កំពូល (002) និង (100) នៃ N-doped graphene លេចឡើងនៅ 26.7° និង 43.3° រៀងគ្នា។អាំងតង់ស៊ីតេផ្ទៃខាងក្រោយដែលត្រូវបានគេសង្កេតឃើញនៅក្នុងគំរូនៃការបំភាយកាំរស្មី X នៃ Vulcan XC-72R និង graphene-doped អាសូតគឺដោយសារតែលក្ខណៈមិនប្រក្រតីខ្ពស់នៃវត្ថុធាតុទាំងនេះនៅក្នុង morphology ផ្ទៃរបស់វា។ផ្ទុយទៅវិញ គំរូនៃការបំភាយនៃសន្លឹក graphene nanosheets បង្ហាញពីកំពូលមុតស្រួចខ្លាំង (002) នៅ 26.5° និងកំពូលតូចធំទូលាយ (100) នៅ 44° ដែលបង្ហាញពីលក្ខណៈគ្រីស្តាល់កាន់តែច្រើននៃគំរូនេះ។
ទីបំផុតនៅក្នុងរូបភព។2i រូបភាព SEM នៃ 5 wt.% Pt/C បង្ហាញបំណែកកាបូនរាងជាដំបងដែលមានចន្លោះប្រហោងមូល។Cubic Pt ត្រូវបានកំណត់ពីកំពូលភ្នំភាគច្រើននៅក្នុងគំរូឌីផេរ៉ង់ស្យែល 5 wt% Pt/C នៅក្នុងរូបភាព 3g ហើយកំពូលនៅ 23° ត្រូវគ្នាទៅនឹងកំពូល (002) នៃកាបូនដែលមានវត្តមាន។
ការបោសសំអាតលីនេអ៊ែរ voltammogram កាតាលីករ ORR ត្រូវបានកត់ត្រាក្នុងអត្រា 5 mV s-1 ។ដោយសារដែនកំណត់នៃការផ្ទេរដ៏ធំ ផែនទីដែលប្រមូលបាន (រូបភាព 4a) ជាធម្មតាមានរាងអក្សរ S លាតសន្ធឹងដល់ខ្ពង់រាបដែលមានសក្តានុពលអវិជ្ជមានច្រើនជាង។ដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នកំណត់, jL, សក្តានុពល E1/2 (ដែល j/jL = ½) និងសក្តានុពលចាប់ផ្តើមនៅ -0.1 mA cm-2 ត្រូវបានស្រង់ចេញពីដីទាំងនេះ ហើយបានរាយក្នុងតារាងទី 2 ។ វាគួរឱ្យកត់សម្គាល់ថានៅក្នុងរូបភព។4a, កាតាលីករអាចត្រូវបានចាត់ថ្នាក់ដោយយោងទៅតាមសក្តានុពល E1/2 របស់ពួកគេទៅជា: (I) អុកស៊ីដលោហៈ (II) វត្ថុធាតុដើមកាបូន និង (III) លោហធាតុដ៏ថ្លៃថ្នូ។
voltammograms បោសសំអាតលីនេអ៊ែរនៃ (a) កាតាលីករ និង (b) ខ្សែភាពយន្តស្តើងនៃកាតាលីករ និង XC-72R ដែលត្រូវបានវាស់នៅលើ RDE glassy carbon probe នៅ 400 rpm ជាមួយនឹងអត្រាស្កេន 5 mV s-1 ក្នុងតិត្ថិភាព O2 នៅ 298 K ក្នុង 1 M NaOH cf.
អុកស៊ីដលោហៈបុគ្គលនៃ Mn និង Co នៅក្នុងក្រុម I បង្ហាញពីសក្តានុពលដំបូងនៃ -0.17 V និង -0.19 V រៀងគ្នា ហើយតម្លៃ E1/2 ស្ថិតនៅចន្លោះ -0.24 និង -0.26 V. ប្រតិកម្មកាត់បន្ថយនៃអុកស៊ីដលោហៈទាំងនេះត្រូវបានបង្ហាញក្នុងសមីការ .(1) និង (2) ដែលបង្ហាញនៅជាប់នឹងសក្តានុពលចាប់ផ្តើមនៅក្នុងរូបភព។4a ត្រូវគ្នានឹងសក្តានុពលស្តង់ដារនៃជំហានទី 2e នៃផ្លូវប្រយោល ORR នៅក្នុងសមីការ។(៣).
អុកស៊ីដលោហៈចម្រុះ MnCo2O4 និង NiCo2O4 នៅក្នុងក្រុមដូចគ្នាបង្ហាញពីសក្តានុពលដំបូងដែលត្រូវបានកែតម្រូវបន្តិចបន្តួចនៅ -0.10 និង -0.12 V រៀងគ្នា ប៉ុន្តែរក្សាតម្លៃ E1/2 ប្រហែល 10.−0.23 វ៉ុល។
សមា្ភារៈកាបូនក្រុមទី 2 បង្ហាញពីតម្លៃ E1/2 វិជ្ជមានច្រើនជាងអុកស៊ីដលោហៈក្រុម I ។សម្ភារៈ Graphene មានសក្តានុពលដំបូងនៃ -0.07 V និងតម្លៃ E1/2 នៃ -0.11 V ខណៈពេលដែលសក្តានុពលដំបូងនិង E1/2 នៃ 72R Vulcan XC- គឺ -0.12V និង -0.17V រៀងគ្នា។នៅក្នុងក្រុម III, 5 wt% Pt/C បានបង្ហាញសក្តានុពលវិជ្ជមានដំបូងបំផុតនៅ 0.02 V, E1/2 នៃ -0.055 V និងដែនកំណត់អតិបរមានៅ -0.4 V ចាប់តាំងពីការកាត់បន្ថយអុកស៊ីសែនបានកើតឡើងតាមរយៈដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ននៃផ្លូវ 4e .វាក៏មាន E1/2 ទាបបំផុតផងដែរ ដោយសារតែចរន្តខ្ពស់នៃ Pt/C និង kinetics បញ្ច្រាសនៃប្រតិកម្ម ORR ។
រូបភាព S2a បង្ហាញពីការវិភាគជម្រាល Tafel សម្រាប់កាតាលីករផ្សេងៗ។តំបន់ដែលគ្រប់គ្រងដោយ kinetically នៃ 5 wt.% Pt/C ចាប់ផ្តើមនៅ 0.02 V ទាក់ទងទៅនឹង Hg/HgO ខណៈពេលដែលតំបន់នៃអុកស៊ីដលោហៈ និងសម្ភារៈកាបូនស្ថិតនៅក្នុងជួរនៃសក្តានុពលអវិជ្ជមានពី -0.03 ទៅ -0.1 V. តម្លៃជម្រាល សម្រាប់ Tafel Pt/C គឺ –63.5 mV ss–1 ដែលជាតួយ៉ាងសម្រាប់ Pt នៅដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នទាប dE/d log i = –2.3 RT/F31.32 ដែលជំហានកំណត់អត្រាពាក់ព័ន្ធនឹងការផ្លាស់ប្តូរអុកស៊ីសែនពី physisorption ទៅ ការស្រូបយកគីមី 33,34 ។តម្លៃជម្រាល Tafel សម្រាប់សមា្ភារៈកាបូនគឺស្ថិតនៅក្នុងតំបន់ដូចគ្នាទៅនឹង Pt/C (-60 ទៅ -70 mV div-1) ដែលបង្ហាញថាវត្ថុធាតុទាំងនេះមានផ្លូវ ORR ស្រដៀងគ្នា។អុកស៊ីដលោហៈបុគ្គលនៃរបាយការណ៍ Co និង Mn ជម្រាល Tafel ចាប់ពី -110 ដល់ -120 mV dec-1 ដែលជា dE/d log i = -2.3 2RT/F ដែលជំហានកំណត់អត្រាគឺជាអេឡិចត្រុងទីមួយ។ជំហានផ្ទេរ 35, 36. តម្លៃជម្រាលខ្ពស់ជាងបន្តិចដែលត្រូវបានកត់ត្រាសម្រាប់អុកស៊ីដលោហៈចម្រុះ NiCo2O4 និង MnCo2O4 ប្រហែល -170 mV dec-1 បង្ហាញពីវត្តមានរបស់ OH- និង H2O ions នៅលើផ្ទៃអុកស៊ីដ ដែលការពារការស្រូបយកអុកស៊ីសែន និង ការផ្ទេរអេឡិចត្រុងដោយហេតុនេះប៉ះពាល់ដល់អុកស៊ីសែន។ផ្លូវកាត់ ៣៥.
សមីការ Kutetsky-Levich (KL) ត្រូវបានប្រើដើម្បីកំណត់ប៉ារ៉ាម៉ែត្រប្រតិកម្ម kinetic សម្រាប់គំរូកាតាលីករផ្សេងៗដោយគ្មានការផ្ទេរម៉ាស់។នៅក្នុងសមីការ។(4) ដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នដែលបានវាស់សរុប j គឺជាផលបូកនៃដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ននៃការផ្ទេរអេឡិចត្រុង និងការផ្ទេរម៉ាស់។
ពីសមីការ។(5) ដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នកំណត់ jL គឺសមាមាត្រទៅនឹងឫសការ៉េនៃល្បឿនបង្វិល។ដូច្នេះសមីការ KL ។(6) ពិពណ៌នាអំពីក្រាហ្វបន្ទាត់នៃ j−1 ធៀបនឹង ω−1//2 ដែលចំនុចប្រសព្វគឺ jk ហើយចំណោទនៃក្រាហ្វគឺ K ។
ដែល ν គឺជា viscosity kinematic នៃអេឡិចត្រូលីត 1 M NaOH (1.1 × 10–2 cm2 s–1)37, D គឺជាមេគុណនៃការសាយភាយ O2 ក្នុង 1 M NaOH (1.89 × 10–5 cm2 s–1)38, ω គឺ rpm គឺជាល្បឿនបង្វិល C គឺជាកំហាប់អុកស៊ីសែននៅក្នុងដំណោះស្រាយភាគច្រើន (8.4 × 10–7 mol cm–3)38 ។
ប្រមូល voltammograms swept លីនេអ៊ែរដោយប្រើ RDE នៅ 100, 400, 900, 1600 និង 2500 rpm ។តម្លៃត្រូវបានគេយកពី -0.4 V នៅក្នុងតំបន់ផ្ទេរម៉ាស់មានកំណត់ដើម្បីគូសដ្យាក្រាម KL ពោលគឺ -j-1 ធៀបនឹង ω-1//2 សម្រាប់កាតាលីករ (រូបភាព S3a) ។ប្រើសមីការ។នៅក្នុងសមីការ (6) និង (7) សូចនាករដំណើរការនៃកាតាលីករដូចជាដង់ស៊ីតេចរន្ត kinetic ដោយមិនគិតពីផលប៉ះពាល់នៃការផ្ទេរម៉ាស់ jk ត្រូវបានកំណត់ដោយចំណុចប្រសព្វជាមួយអ័ក្ស y និងចំនួននៃ ការផ្ទេរអេឡិចត្រុងត្រូវបានកំណត់ដោយជម្រាល K នៃខ្សែកោង។ពួកគេត្រូវបានរាយក្នុងតារាងទី 2 ។
5 wt% Pt/C និង XC-72R មានតម្លៃ jk ដាច់ខាតទាបបំផុត ដែលបង្ហាញពី kinetics លឿនជាងមុនសម្រាប់សម្ភារៈទាំងនេះ។ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ជម្រាលនៃខ្សែកោង XC-72R គឺស្ទើរតែពីរដងសម្រាប់ 5 wt% Pt/C ដែលត្រូវបានរំពឹងទុកចាប់តាំងពី K គឺជាសូចនាករនៃចំនួនអេឡិចត្រុងដែលបានផ្ទេរក្នុងអំឡុងពេលប្រតិកម្មកាត់បន្ថយអុកស៊ីហ៊្សែន។តាមទ្រឹស្តី គ្រោង KL សម្រាប់ 5 wt% Pt/C គួរតែឆ្លងកាត់ប្រភពដើម 39 ក្រោមលក្ខខណ្ឌនៃការផ្ទេរម៉ាស់មានកម្រិត ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ នេះមិនត្រូវបានគេសង្កេតឃើញនៅក្នុងរូបភាព S3a ដែលបង្ហាញពីដែនកំណត់ kinetic ឬ diffusion ដែលប៉ះពាល់ដល់លទ្ធផលនោះទេ។នេះប្រហែលជាដោយសារតែ Garsani et al ។40 បានបង្ហាញថា ភាពមិនស៊ីសង្វាក់គ្នាតិចតួចនៅក្នុងសណ្ឋានដី និងរូបវិទ្យានៃខ្សែភាពយន្តកាតាលីករ Pt/C អាចប៉ះពាល់ដល់ភាពត្រឹមត្រូវនៃតម្លៃសកម្មភាព ORR ។ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារខ្សែភាពយន្តកាតាលីករទាំងអស់ត្រូវបានរៀបចំតាមរបៀបដូចគ្នា ឥទ្ធិពលណាមួយលើលទ្ធផលគួរតែដូចគ្នាសម្រាប់គំរូទាំងអស់។ចំណុចឆ្លងកាត់ graphene KL នៃ ≈ -0.13 mA-1 cm2 គឺអាចប្រៀបធៀបទៅនឹង XC-72R ប៉ុន្តែចំណុចឆ្លងកាត់ -0.20 mA-1 cm2 សម្រាប់ក្រាហ្វ N-doped graphene KL បង្ហាញថាដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នគឺធំជាងអាស្រ័យលើ វ៉ុលនៅលើឧបករណ៍បំលែងកាតាលីករ។នេះអាចបណ្តាលមកពីការពិតដែលថា សារធាតុអាសូតនៃ graphene កាត់បន្ថយចរន្តអគ្គិសនីទាំងមូល ដែលបណ្តាលឱ្យមានការផ្ទេរ kinetics អេឡិចត្រុងយឺត។ផ្ទុយទៅវិញ តម្លៃ K ដាច់ខាតនៃ graphene ដែល doped អាសូតគឺតូចជាង graphene ព្រោះវត្តមានរបស់អាសូតជួយបង្កើតកន្លែងសកម្មបន្ថែមទៀតសម្រាប់ ORR41,42 ។
សម្រាប់អុកស៊ីដដោយផ្អែកលើម៉ង់ហ្គាណែសចំណុចប្រសព្វនៃតម្លៃដាច់ខាតធំបំផុតត្រូវបានគេសង្កេតឃើញ - 0.57 mA-1 cm2 ។ទោះយ៉ាងណាក៏ដោយ តម្លៃ K ដាច់ខាតនៃ MnOx គឺទាបជាង MnO2 និងជិតដល់ 5 wt %។% Pt/C ។លេខផ្ទេរអេឡិចត្រុងត្រូវបានកំណត់ថាប្រហាក់ប្រហែល។MnOx គឺ 4 ហើយ MnO2 គឺនៅជិត 2 ។ នេះគឺស្របជាមួយនឹងលទ្ធផលដែលបានបោះពុម្ពនៅក្នុងអក្សរសិល្ប៍ដែលរាយការណ៍ថាចំនួននៃការផ្ទេរអេឡិចត្រុងនៅក្នុងផ្លូវ α-MnO2 ORR គឺ 4 ខណៈដែល β-MnO243 ជាធម្មតាតិចជាង 4 ។ ដូច្នេះ ផ្លូវ ORR មានភាពខុសប្លែកគ្នាសម្រាប់ទម្រង់ប៉ូលីម័រហ្វីកផ្សេងៗនៃកាតាលីករ ដោយផ្អែកលើអុកស៊ីដម៉ង់ហ្គាណែស ទោះបីជាអត្រានៃជំហានគីមីនៅតែមានប្រហែលដូចគ្នាក៏ដោយ។ជាពិសេស កាតាលីករ MnOx និង MnCo2O4 មានលេខផ្ទេរអេឡិចត្រុងខ្ពស់ជាង 4 បន្តិច ដោយសារតែការថយចុះនៃអុកស៊ីដម៉ង់ហ្គាណែសដែលមាននៅក្នុងកាតាលីករទាំងនេះកើតឡើងក្នុងពេលដំណាលគ្នាជាមួយនឹងការថយចុះនៃអុកស៊ីសែន។នៅក្នុងការងារពីមុន យើងបានរកឃើញថា ការកាត់បន្ថយអេឡិចត្រូគីមីនៃអុកស៊ីដម៉ង់ហ្គាណែសកើតឡើងក្នុងជួរសក្តានុពលដូចគ្នាទៅនឹងការកាត់បន្ថយអុកស៊ីសែននៅក្នុងដំណោះស្រាយដែលឆ្អែតជាមួយអាសូត២៨។ការរួមចំណែកនៃប្រតិកម្មចំហៀងនាំឱ្យចំនួនអេឡិចត្រុងគណនាលើសពី 4 បន្តិច។
ចំនុចប្រសព្វនៃ Co3O4 គឺ ≈ −0.48 mA-1 cm2 ដែលមានលក្ខណៈអវិជ្ជមានតិចជាងទម្រង់ពីរនៃម៉ង់ហ្គាណែសអុកស៊ីត ហើយលេខផ្ទេរអេឡិចត្រុងជាក់ស្តែងត្រូវបានកំណត់ដោយតម្លៃ K ស្មើនឹង 2 ។ ការជំនួស Ni ក្នុង NiCo2O4 និង Mn ក្នុង MnCo2O4 ដោយ Co នាំឱ្យមានការថយចុះនៃតម្លៃដាច់ខាត K ដែលបង្ហាញពីភាពប្រសើរឡើងនៃ kinetics ផ្ទេរអេឡិចត្រុងនៅក្នុងអុកស៊ីដលោហៈចម្រុះ។
ស្រទាប់ខាងក្រោមកាបូនត្រូវបានបន្ថែមទៅក្នុងទឹកថ្នាំកាតាលីករ ORR ដើម្បីបង្កើនចរន្តអគ្គិសនី និងជួយសម្រួលដល់ការបង្កើតព្រំដែនបីដំណាក់កាលត្រឹមត្រូវនៅក្នុងអេឡិចត្រូតសាយភាយឧស្ម័ន។Vulcan-XC-72R ត្រូវបានជ្រើសរើសដោយសារតែតម្លៃទាបរបស់វា ផ្ទៃធំនៃ 250 m2·g-1 និងធន់ទ្រាំទាបពី 0.08 ទៅ 1 Ω·cm44.45 ។គ្រោង LSV នៃគំរូកាតាលីករលាយជាមួយ Vulcan XC-72R នៅ 400 rpm ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាពទី 1. 4b ។ឥទ្ធិពលជាក់ស្តែងបំផុតនៃការបន្ថែម Vulcan XC-72R គឺដើម្បីបង្កើនដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នចុងក្រោយ។ចំណាំថានេះកាន់តែគួរឱ្យកត់សម្គាល់សម្រាប់អុកស៊ីដលោហៈដែលមានបន្ថែម 0.60 mA cm-2 សម្រាប់អុកស៊ីដលោហៈតែមួយ 0.40 mA cm-2 សម្រាប់អុកស៊ីដលោហៈចម្រុះ និង 0.28 mA cm-2 សម្រាប់ graphene និង doped graphene ។N. បន្ថែម 0.05 mA cm-2 ។−២.ការបន្ថែម Vulcan XC-72R ទៅក្នុងទឹកថ្នាំកាតាលីករក៏បណ្តាលឱ្យមានការផ្លាស់ប្តូរជាវិជ្ជមាននៅក្នុងសក្តានុពលចាប់ផ្តើម និងសក្តានុពលពាក់កណ្តាលរលក E1/2 សម្រាប់កាតាលីករទាំងអស់ លើកលែងតែ graphene ។ការផ្លាស់ប្តូរទាំងនេះអាចជាលទ្ធផលដែលអាចកើតមាននៃការកើនឡើងនៃការប្រើប្រាស់ផ្ទៃអេឡិចត្រូគីមី 46 និងការធ្វើឱ្យទំនាក់ទំនង 47 ប្រសើរឡើងរវាងភាគល្អិតកាតាលីករនៅលើកាតាលីករ Vulcan XC-72R ដែលបានគាំទ្រ។
ដី Tafel ដែលត្រូវគ្នា និងប៉ារ៉ាម៉ែត្រ kinetic សម្រាប់ល្បាយកាតាលីករទាំងនេះត្រូវបានបង្ហាញនៅក្នុងរូបភាព S2b និងតារាងទី 3 រៀងគ្នា។តម្លៃជម្រាល Tafel គឺដូចគ្នាសម្រាប់ MnOx និងសម្ភារៈ graphene ដែលមាន និងគ្មាន XC-72R ដែលបង្ហាញថាផ្លូវ ORR របស់ពួកគេមិនត្រូវបានប៉ះពាល់ទេ។ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយអុកស៊ីដដែលមានមូលដ្ឋានលើ cobalt Co3O4, NiCo2O4 និង MnCo2O4 បានផ្តល់តម្លៃអវិជ្ជមាន Tafel តូចជាងរវាង -68 និង -80 mV dec-1 រួមផ្សំជាមួយ XC-72R ដែលបង្ហាញពីការផ្លាស់ប្តូរនៅក្នុងផ្លូវ ORR ។រូបភាព S3b បង្ហាញគ្រោង KL សម្រាប់គំរូកាតាលីកររួមបញ្ចូលគ្នាជាមួយ Vulcan XC-72R ។ជាទូទៅការថយចុះនៃតម្លៃដាច់ខាតនៃ jk ត្រូវបានគេសង្កេតឃើញចំពោះកាតាលីករទាំងអស់ដែលលាយជាមួយ XC-72R ។MnOx បានបង្ហាញពីការថយចុះដ៏ធំបំផុតនៃតម្លៃដាច់ខាតនៃ jk ដោយ 55 mA-1 cm2 ខណៈពេលដែល NiCo2O4 បានកត់ត្រាការថយចុះចំនួន 32 mA-1 cm-2 ហើយ graphene បានបង្ហាញពីការថយចុះតិចតួចបំផុតដោយ 5 mA-1 cm2 ។វាអាចត្រូវបានសន្និដ្ឋានថាឥទ្ធិពលនៃ Vulcan XC-72R លើដំណើរការនៃកាតាលីករត្រូវបានកំណត់ដោយសកម្មភាពដំបូងនៃកាតាលីករនៅក្នុងលក្ខខណ្ឌនៃ OVR ។
Vulcan XC-72R មិនប៉ះពាល់ដល់តម្លៃ K នៃ NiCo2O4, MnCo2O4, graphene, និង graphene-doped អាសូត។ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយតម្លៃ K នៃ Co3O4 បានថយចុះយ៉ាងខ្លាំងជាមួយនឹងការបន្ថែម Vulcan XC-72R ដែលបង្ហាញពីការកើនឡើងនៃចំនួនអេឡិចត្រុងដែលត្រូវបានផ្ទេរដោយ ORR ។ការផ្សារភ្ជាប់គ្នានៃ Co3O4 ជាមួយសមាសធាតុកាបូនត្រូវបានរាយការណ៍នៅក្នុង refs ។48, 49. ក្នុងករណីដែលមិនមានការគាំទ្រកាបូន នោះ Co3O4 ត្រូវបានគេគិតថាដើម្បីលើកកម្ពស់ការមិនសមាមាត្រនៃ HO2- ទៅ O2 និង OH-50.51 ដែលស្ថិតក្នុងការព្រមព្រៀងដ៏ល្អជាមួយលេខផ្ទេរអេឡិចត្រុងរបស់ Co3O4 ប្រហែល 2 ក្នុងតារាងទី 2។ ដូច្នេះ ការស្រូបយករាងកាយនៃ Co3O4 នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមកាបូនត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងបង្កើត 2 + 2 អេឡិចត្រុងបួន ORR ផ្លូវ 52 ដែលដំបូង electroreduces O2 ទៅ HO2- នៅចំណុចប្រទាក់នៃកាតាលីករ Co3O4 និង Vulcan XC-72R (សមីការ 1) ហើយបន្ទាប់មក HO2 - មិនសមាមាត្រយ៉ាងឆាប់រហ័ស។ ផ្ទៃអុកស៊ីដលោហៈត្រូវបានបំប្លែងទៅជា O2 អមដោយការកាត់អេឡិចត្រូ។
ផ្ទុយទៅវិញតម្លៃដាច់ខាតនៃ K MnOx បានកើនឡើងជាមួយនឹងការបន្ថែម Vulcan XC-72R ដែលតំណាងឱ្យការថយចុះនៃចំនួនផ្ទេរអេឡិចត្រុងពី 4.6 ទៅ 3.3 (តារាងទី 3) ។នេះគឺដោយសារតែវត្តមាននៃទីតាំងពីរនៅលើសមាសធាតុកាតាលីករកាបូនសម្រាប់ផ្លូវអេឡិចត្រុងពីរដំណាក់កាល។ការកាត់បន្ថយដំបូងនៃ O2 ទៅ HO2- កើតឡើងកាន់តែងាយស្រួលនៅលើការគាំទ្រកាបូន ដែលបណ្តាលឱ្យមានចំណូលចិត្តកើនឡើងបន្តិចសម្រាប់ផ្លូវអេឡិចត្រូនិចពីរនៃ ORR53 ។
ស្ថេរភាពនៃកាតាលីករត្រូវបានវាយតម្លៃនៅក្នុងកោសិកាពាក់កណ្តាល GDE នៅក្នុងជួរនៃដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ន។នៅលើរូបភព។5 បង្ហាញផែនការនៃសក្តានុពលធៀបនឹងពេលវេលាសម្រាប់ GDE MnOx, MnCo2O4, NiCo2O4, graphene និង graphene-doped អាសូត។MnOx បង្ហាញពីស្ថេរភាពរួមដ៏ល្អ និងដំណើរការ ORR នៅដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នទាប និងខ្ពស់ ដែលបង្ហាញថាវាសមរម្យសម្រាប់ការបង្កើនប្រសិទ្ធភាពបន្ថែមទៀត។
Chronopotentiometry នៃគំរូ HDE នៅចរន្តពី 10 ទៅ 100 mA/cm2 ក្នុង 1 M NaOH, 333 K, អត្រាលំហូរ O2 200 cm3/min ។
MnCo2O4 ក៏ហាក់ដូចជារក្សាបាននូវស្ថេរភាព ORR ដ៏ល្អនៅទូទាំងជួរដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្ន ប៉ុន្តែនៅដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នខ្ពស់នៃ 50 និង 100 mA cm-2 វ៉ុលលើសធំត្រូវបានគេសង្កេតឃើញដែលបង្ហាញថា MnCo2O4 មិនដំណើរការក៏ដូចជា MnOx ។Graphene GDE បង្ហាញការសម្តែង ORR ទាបបំផុតលើជួរដង់ស៊ីតេបច្ចុប្បន្នដែលបានសាកល្បង ដោយបង្ហាញពីការធ្លាក់ចុះនៃដំណើរការយ៉ាងលឿននៅ 100 mA cm-2 ។ដូច្នេះ នៅក្រោមលក្ខខណ្ឌពិសោធន៍ដែលបានជ្រើសរើស MnOx GDE ត្រូវបានជ្រើសរើសសម្រាប់ការធ្វើតេស្តបន្ថែមនៅក្នុងប្រព័ន្ធអនុវិទ្យាល័យ Zn-air ។