Faafetai mo le asiasi ile Nature.com.O lo'o e fa'aogaina se su'esu'ega e fa'atapula'aina le lagolago a le CSS.Mo le poto sili ona lelei, matou te fautuaina oe e te faʻaogaina se suʻesuʻega fou (pe faʻamalo le Faiga Faʻatasi i Internet Explorer).E le gata i lea, ina ia mautinoa le faʻaauauina o le lagolago, matou te faʻaalia le saite e aunoa ma sitaili ma JavaScript.
Fa'ase'e o lo'o fa'aalia tala e tolu ile fa'ata.Fa'aoga le pito i tua ma le isi ki e fa'asolo ai fa'ase'e, po'o fa'amau fa'ase'e i le pito e fa'asolo ai fa'ase'e ta'itasi.
Ole fa'aogaina ole fa'aitiitiga ole okesene (ORR) lelei, taugofie ma tumau e taua tele mo ma'a Zn-air lona lua.O le gaioiga o le ORR o faʻamaʻi uʻamea taʻitasi ma faʻafefiloi ma carbon electrocatalysts na suʻesuʻeina e faʻaaoga ai le rotating disk electrode (RDE) fua, Tafel slopes, ma fanua Kutetsky-Levich.Na maua o le tuufaatasiga o le MnOx ma le XC-72R o loʻo faʻaalia ai le maualuga o le PBP ma le mautu lelei, e oʻo atu i le 100 mA cm-2.O le faatinoga o le ORR electrodes ua filifilia ma le okesene muamua optimized evolution reaction (OER) electrode na tofotofoina i se maa zinc-ea lua masani-fausia i se faatulagaga tolu-electrode, ma le density i le taimi nei, electrolyte molarity, vevela, mama okesene sa. na tofotofoina foi.Uiga o le ORR ma le OEReletise.Mulimuli ane, na iloiloina le umi o le lua zinc-air system, faʻaalia le malosi o le 58-61% i le 20 mA cm-2 i le 4 M NaOH + 0.3 M ZnO i le 333 K mo le 40 itula.
O maa u'amea-ea e iai fa'aeletise okesene ua manatu e matua'i manaia faiga aua o mea fa'aeletise mo fa'aeletise okesene e faigofie ona maua mai le ea si'osi'omaga ma e le mana'omia le teuina1.O lenei mea e faʻafaigofie ai le faʻatulagaina o le faiga e ala i le faʻatagaina o le eletise okesene e maua le malosi e le faʻatapulaʻaina, ma faʻateleina ai le malosi o le tino.O le mea lea, o maa uʻamea-ea e faʻaaoga ai mea anode e pei o le lithium, alumini, uʻamea, zinc, ma le magnesium ua faʻaalia ona o lo latou tulaga sili ona lelei.Faatasi ai ma i latou, o maa ea o le zinc e mafai ona faʻafetaui le manaʻoga maketi mo tau, saogalemu, ma le faʻaleleia o le siosiomaga, talu ai o le zinc e tele uiga manaʻomia o se mea anode, e pei o le mautu lelei i le eletise eletise, maualuga le malosi, ma le maualalo o le paleni.mafai., toe fa'afo'i fa'aeletise, lelei le fa'auluina o le eletise, tele ma le faigofie o le fa'aogaina4,5.I le taimi nei, e ui ina fa'aogaina ma'a ea zinc muamua i mea fa'apisinisi e pei o mea fa'alogo, fa'ailoga o nofoaafi ma moli fa'atautaia, o ma'a lua o le ea zinc e mafai ona maua le malosi maualuga e fa'atusa i ma'a lithium.O le mea lea e aoga ai le fa'aauauina o su'esu'ega i ma'a ea zinc mo fa'aoga i mea tau fa'aeletonika feavea'i, ta'avale eletise, fa'aputuga o le eletise ma lagolago le gaosiga o malosiaga fa'afouina6,7.
O se tasi o sini autu o le faʻaleleia atili o le faʻaogaina o le okesene i le ea eletise, e taʻua o le faʻaitiitia o le okesene faʻaitiitiga (ORR) ma le okesene evolution reaction (OER), ina ia faʻalauteleina le faʻatauga o maa Zn-air lua.I lenei tulaga, e mafai ona faʻaaogaina eletise eletise lelei e faʻateleina ai le fua o le tali ma faʻapupulaina ai le lelei.I le taimi nei, o le okesene electrodes ma catalysts bifunctional o loʻo faʻamatalaina lelei i tusitusiga8,9,10.E ui lava e mafai ona faafaigofieina e le bifunctional catalysts le fausaga o electrodes ma faaitiitia tele fesiitaiga gau, lea e mafai ona fesoasoani faaitiitia tau gaosiga, i le faatinoga, catalysts e sili ona fetaui mo ORR e masani ona le talafeagai mo OER, ma vice versa11.O lenei eseesega i le faʻaogaina o gafatia e mafua ai ona faʻaalia le faʻalavelave i se lautele lautele o gafatia, lea e mafai ona suia lona fausaga i luga o le taimi.E le gata i lea, o le felagolagomai o malosiaga vavalalata vavalalata o lona uiga o nofoaga galue i luga o le catalyst e mafai ona ese mo tali taʻitasi, lea e mafai ona faʻalavelaveina le faʻaleleia.
O le isi fa'afitauli tele mo ma'a Zn-air lona lua o le mamanu o le okeseneeletise, aemaise lava ona o le monofunctional catalysts mo ORR ma OER faagaoioia i ala eseese tali.O le ORR gas diffusion layer e tatau ona hydrophobic e fa'ataga ai le kasa okesene e ulu atu i nofoaga catalytic, ae mo le OER o le eletise eletise e tatau ona hydrophilic e faafaigofie ai le aveeseina o le okesene.I luga o le fig.1 o loʻo faʻaalia ai ni mamanu faʻaeletise okesene lona lua masani e tolu na maua mai i le iloiloga a Jorissen12, e taʻua (i) faʻapipiʻi monolayer bifunctional, (ii) faʻapipiʻi lua poʻo multilayer, ma (iii) fetuutuunaiga eletise tolu.
Mo le mamanu muamua electrode, lea e aofia ai na o se tasi vaega bifunctional catalyst lea i le taimi e tasi catalyzes ORR ma OER, pe afai e aofia ai se membrane i lenei mamanu, ona fausia ai lea o se fono-eletise fono (MEA) e pei ona faaalia.O le ituaiga lona lua e aofia ai le lua (pe sili atu) moega faʻapipiʻi ma le porosity eseese ma le hydrophobicity e faʻamaonia ai eseesega i sone tali13,14,15.I nisi tulaga, o le lua catalytic moega e vavae ese, faatasi ai ma le hydrophilic itu o le OER faasaga i le electrolyte ma le semi-hydrophobic itu o le ORR faasaga i le pito tatala o electrodes 16, 17, 18. o se cell e aofia ai le lua tali- fa'aeletise okesene fa'apitoa ma se fa'aeletise zinc19,20.Lisi S1 o loʻo lisiina ai tulaga lelei ma le le lelei o mamanu taʻitasi.
O le fa'atinoina o se mamanu fa'aeletise e tu'u'ese'ese ai tali ole ORR ma le OER ua fa'aalia muamua le fa'aleleia atili ole mautu ole uila19.E moni lava lenei mea mo le tolu electrode configuration, lea e faaitiitia ai le faaleagaina o catalysts le mautu ma co-additives ma outgassing e sili atu ona pulea i luga o le tulaga gafatia uma.Mo nei mafuaʻaga, na matou faʻaogaina ai le tolu-electrode Zn-air configuration i lenei galuega.
I totonu o lenei tusiga, matou te filifilia muamua faʻamaʻi maualuga o le ORR e ala i le faʻatusatusaina o suʻesuʻega uʻamea uʻamea, mea carbonaceous, ma faʻamatalaga faʻamatalaga faʻatasi ai ma suʻega faʻataʻitaʻiga tisiketi (RDE).O u'amea u'amea fesuia'i e masani ona avea ma fa'aeletise lelei ona o a latou tulaga fa'ama'i eseese;e sili atu ona faigofie ona fa'ata'atia pe a iai nei fa'aputuga21.Mo se faʻataʻitaʻiga, manganese oxides, cobalt oxides, ma cobalt-based oxides fefiloi (e pei o le NiCo2O4 ma MnCo2O4) 22,23,24 faʻaalia lelei ORR i tulaga alkaline ona o latou afa-tumu d-orbitals, eletise eletise maualuga e mafai ai mo le eletise. galue ma faʻaleleia le faʻamafanafanaga tipi.E le gata i lea, e sili atu ona tele i latou i le siosiomaga ma maua ai le faʻaogaina o le eletise, maualuga le gaioiga ma le mautu lelei.E faapena foi, o mea carbonaceous e masani ona faʻaaogaina, e iai le lelei o le maualuga o le eletise eletise ma le tele o luga.I nisi tulaga, o heteroatoms e pei o le nitrogen, boron, phosphorus, ma le sulfur ua faʻaofiina i totonu o le carbon e faʻaleleia ai lona fausaga, faʻaleleia atili uiga ORR o nei mea.
E fa'atatau i fa'ai'uga fa'ata'ita'iga, na matou fa'aaofia ai fa'ailoga OVR filifilia i fa'aeletonika fa'asalalau kesi (GDE) ma fa'ata'ita'iina i latou i densities eseese o iai nei.O le ORR GDE catalyst sili ona lelei na faʻapipiʻiina i totonu o la matou masani e tolu-electrode lua Zn-air maa faʻatasi ai ma tali-faʻapitoa OER electrodes ua sili ona lelei i la matou galuega muamua26,27.O le gafatia o eletise okesene ta'ito'atasi na mata'ituina i le fa'aauauina o le fa'amalo ma le fa'ata'ita'iina o le uila e su'esu'e le a'afiaga o tulaga fa'agaioia e pei o le mamafa o lo'o i ai nei, molarity electrolyte, vevela fa'aogaina o le cell, ma le mama o le okesene.Mulimuli ane, sa su'esu'eina le mautu o ma'a lua a le Zn-air i lalo o le uila fa'aauau i lalo ole tulaga sili ona lelei.
MnOx28 na saunia e le vailaʻau redox metotia: 50 ml o le 0.04 M KMnO4 solution (Fisher Scientific, 99%) na faʻaopoopoina i le 100 ml o le 0.03 Mn (CH3COO) 2 (Fisher Scientific, 98%) e fai ai se paʻu enaena.O le faʻafefiloi e faʻafetaui i le pH 12 faʻatasi ai ma le faʻafefeteina o le sodium hydroxide, ona faʻapipiʻi 3-5 taimi i le 2500 rpm e aoina ai le paʻu.Ona fufulu ai lea o le ma'ele'ele i le vai fa'aonaona seia mou atu le lanu viole o le ion permanganate.Mulimuli ane, na fa'amamago ia tupe i le 333 K i le po ma fa'apalapala.
Spinel oxides Co3O4, NiCo2O4, ma le MnCo2O4 na faʻapipiʻiina e ala i le faʻaleagaina o le vevela.Na saunia le NiCo2O4 ma le MnCo2O4 e ala i le faaopoopoina o le 0.5 M (14.5 g) nickel(II) nitrate hexahydrate, Ni(NO3)2⋅6H2O (Fisher Scientific, 99.9%) poʻo le 0.5 M (12.6 g) tetrahydrate manganese(II) nitrate Mn. ).)2 4H2O (Sigma Aldrich, ≥ 97%) ma le 1 M (29.1 g) cobalt(II) nitrate hexahydrate, Co(NO3)2 6H2O (Fisher Scientific, 98+%, ACS reagents) i le methanol (Fisher Scientific , 99.9% ) i totonu 100 ml vai fa'afefiloi.E fa'aopoopo le Methanol i ni vaega laiti i le u'amea u'amea fa'aliliuga fa'atasi ma le fa'aoso fa'aauau pea se'ia maua se vaifofo tutusa.Ona tu'u lea o le vaifofo i totonu o se fagu ma fa'avevela i luga o se ipu vevela, ma tu'u ai se mumu pogisa.O le malo sa calcined i le 648 K mo le 20 h i le ea.O le ma'a'a na maua ona oloina lea i se pauta mama.E leai ni Ni(NO3)2 6H2O po'o le Mn(NO3)2 4H2O na fa'aopoopoina i le taimi o le tu'ufa'atasiga o le Co3O4.
Graphene nanosheets i luga o le 300 m2 / g (Sigma Aldrich), graphene doped i le nitrogen (Sigma Aldrich), carbon black powder (Vulcan XC-72R, Cabot Corp., 100%), MnO2 (Sigma Aldrich) ma 5 wt.% Pt/C (Acros Organics) sa fa'aaogaina e pei ona iai.
RDE (Pine Research Instrumentation) fua na faʻaaogaina e iloilo ai le gaioiga o faʻalavelave eseese o le ORR i le 1 M NaOH.O se vaitusi catalytic e aofia ai le 1 mg catalyst + 1 ml deionized (DI) H2O + 0.5 ml isopropanol (IPA) + 5 µl 5 wt% Nafion 117 (Sigma-Aldrich) na faʻaaogaina e pei ona i ai.Ina ua faaopoopo Vulcan XC-72R, o le catalytic vali e aofia ai le 0.5 mg catalyst + 0.5 mg Vulcan XC-72R + 1 ml DI HO + 0.5 ml IPA + 5 µl 5 wt% Nafion 117 ina ia mautinoa le utaina pea o mea.O le paluga sa sonicated mo 20 minute ma homogenized e faaaoga ai se Cole-Parmer LabGen 7 Series homogenizer i le 28,000 rpm mo le 4 minute.Ona faʻaaogaina lea o le vaitusi i le tolu aliquots o le 8 μl i luga o le tioata tioata eletise (Pine Instrument Company) ma le lautele o le 4 mm (vaega galue ≈ 0.126 cm2) ma faʻagogo i le va o laulau e tuʻuina atu ai se uta o le ≈120 μg cm. -2.I le va o talosaga, o le mata tioata carbon electrode luga na susu faasolosolo i le MicroCloth (Buehler) ma 1.0 mm ma 0.5 mm alumina pauta (MicroPolish, Buehler) sosoo ai ma sonication i deionized H2O.
ORR gas diffusion electrode samples na saunia e tusa ai ma la matou faʻataʻitaʻiga na faʻamatalaina muamua28.Muamua, o le paʻu faʻamalosi ma le Vulcan XC-72R na faʻafefiloi i le 1: 1 mamafa fua.Ona fa'aopoopoina lea o se fa'afefiloi o se vaifofo o le polytetrafluoroethylene (PTFE) (60 wt.% i H2O) ma se solvent ma le fua faatatau o le IPA/H2O o le 1:1 i le paluga pa'u mamago.Sonicate le catalytic vali mo le tusa ma le 20 minute ma homogenize mo le tusa ma le 4 minute i le 28,000 rpm.Ona fa'amama manifinifi lea o le vaitusi i se spatula i luga o le pepa kaponi na mua'i tipiina 13 mm le lautele (AvCarb GDS 1120) ma fa'amago seia o'o ina maua se mea fa'amalosi e 2 mg cm2.
OER electrodes na fauina e le cathodic electrodeposition o Ni-Fe hydroxide catalysts i luga o le 15 mm x 15 mm uamea uamea.mata(DeXmet Corp, 4SS 5-050) e pei ona lipotia26,27.Electrodeposition na faia i totonu o se tulaga tolu-electrode afa-cell (se polymer-coated glass cell e tusa ma le 20 cm3) faʻatasi ai ma le Pt grid e fai ma faʻataʻitaʻiga eletise ma Hg / HgO i le 1 M NaOH e fai ma faʻamatalaga eletise.Fa'ataga le fa'amago u'amea u'amea fa'apipi'i e fa'amago i le ea a'o le'i tipi ese se vaega e tusa ma le 0.8 cm2 fa'atasi ai ma le 10 mm mafiafia o le u'amea carbon sila.
Mo le faʻatusatusaga, faʻaaogaina eletise ORR ma OER e pei ona maua ma faʻataʻitaʻiina i lalo o tulaga tutusa.O le eletise ORR pisinisi (QSI Nano Gas Diffusion Electrode, Quantum Sphere, 0.35 mm mafiafia) e aofia ai le manganese ma le carbon oxide o loʻo faʻapipiʻiina ma le nickel mesh collector i le taimi nei, aʻo le pisinisi OER electrode (ituaiga 1.7, faʻapitoa Magneto anode, BV) ei ai le mafiafia 1.3 mm.e oʻo atu i le 1.6 mm faʻalauteleina titanium mesh ua ufiufi i le Ru-Ir faʻafefiloi uʻamea uʻamea.
O le fa'aogaina o le tino ma le tu'ufa'atasiga o mea fa'apipi'i na fa'aalia i le fa'aogaina o le FEI Quanta 650 FEG su'esu'eina electron microscope (SEM) o lo'o fa'agaoioia i lalo o le vacuum maualuga ma le fa'avavevave o le voltage o le 5 kV.O faʻamaumauga o le X-ray paʻu (XRD) na aoina i luga o le Bruker D8 Advance X-ray diffractometer faʻatasi ai ma le puna apamemea (λ = 1.5418 Å) ma suʻesuʻeina e faʻaaoga ai le Bruker Diffraction Suite EVA software.
O fua fa'aeletise uma na fa'atino e fa'aaoga ai le Biologic SP-150 potentiostat ma le EC-lab software.O faʻataʻitaʻiga o le RDE ma le GDE na faʻataʻitaʻiina i luga o se seti tolu-electrode setup e aofia ai le 200 cm3 jacketed glass cell ma le Laggin capillary e fai ma faʻamatalaga eletise.Pt mesh ma Hg / HgO i le 1 M NaOH sa faʻaaogaina e fai ma faʻataʻitaʻiga ma faʻamatalaga eletise, i le faasologa.
Mo fua RDE i faʻataʻitaʻiga taʻitasi, na faʻaaogaina ai le 1 M NaOH electrolyte fou, o le vevela o loʻo tumau pea i le 298 K faʻaaogaina le vai taʻele (TC120, Grant).O le okesene kasa (BOC) sa puna i totonu o le eletise e ala i se ipu tioata ma se porosity o le 25-50 µm mo le itiiti ifo i le 30 minute aʻo leʻi faia suʻega taʻitasi.Ina ia maua le ORR polarization curves, o le gafatia na suʻesuʻeina mai le 0.1 i le -0.5 V (faʻatatau i le Hg / HgO) i se fua faʻatatau o le 5 mV s -1 i le 400 rpm.Cyclic voltammograms na maua e ala i le saluina o le gafatia i le va o le 0 ma le -1.0 V ma le Hg / HgO i le fua faatatau o le 50 mV s-1.
Mo fuataga HDE, o le 1 M NaOH electrolyte na tausia i le 333 K faʻatasi ai ma le taʻele vai taʻavale.O se vaega malosi o le 0.8 cm2 na faʻaalia i le electrolyte ma le faʻaauau pea o le okesene i le pito i tua o le eletise i se fua faatatau o le 200 cm3 / min.O le mamao tumau i le va o le eletise galue ma le faʻaogaina o le eletise e 10 mm, ma o le mamao i le va o le eletise galue ma le faʻailoga eletise e 13-15 mm.Uaea nikeli ma mesh e maua ai feso'ota'iga eletise ile itu kesi.O fua ole Chronopotentiometric na faia ile 10, 20, 50 ma le 100 mA cm-2 e iloilo ai le mautu ma le lelei o le eletise.
O uiga o le ORR ma OER electrodes sa iloiloina i se 200 cm3 jacketed tioata cell ma se faaofi PTFE29.O lo'o fa'aalia se ata fa'ata'atia o le faiga i le Ata S1.O eletise i totonu o le maa e fesoʻotaʻi i totonu o le tolu-electrode system.O le eletise galue e aofia ai le eseʻese tali-faʻapitoa ORR ma OER electrodes e fesoʻotaʻi atu i se faʻasalalauga faʻapipiʻi (Songle, SRD-05VDC-SL-C) ma se microcontroller (Rasipi Pi 2014© faʻataʻitaʻiga B + V1.2) ma se anode zinc.e pei o se paga O electrodes ma le faasinomaga electrode Hg / HgO i le 4 M NaOH sa i le mamao o le 3 mm mai le anode zinc.O le Python script ua tusia e faʻatino ma pulea le Raspberry Pi ma Relay Module.
O le sela na faʻaleleia e faʻaogaina ai le anode zinc foil (Goodfellow, 1 mm mafiafia, 99.95%) ma se ufiufi polymer na mafai ai ona tuʻu le eletise i se mamao tumau e tusa ma le 10 m.4 mm le va.Nitrile pa'u pa'u fa'amauina le electrodes i totonu o le tapuni, ma uaea nickel (Alfa Aesar, 0.5 mm diameter, annealed, 99.5% Ni) sa faaaogaina mo fesootaiga eletise o le electrodes.Na muamua faʻamamaina le anode o le zinc foil i le isopropanol ona faʻafefe ai lea i le vai faʻafefe, ma o le pito i luga o le pepa sa ufiufi i le polypropylene tape (Avon, AVN9811060K, 25 µm mafiafia) e faʻaalia ai se vaega malosi e tusa ma le 0.8 cm2.
O fa'ata'ita'iga uma o le uila na faia i le 4 M NaOH + 0.3 M ZnO electrolyte i le 333 K se'i vagana ua fa'ailoa mai.I le ata, Ewe e tusa ai ma le Hg / HgO e faasino i le gafatia o le okesene electrode (ORR ma OER), Ece e tusa ai ma le Hg / HgO e fai ma sui o le gafatia o le zinc electrode, Ecell e tusa ai ma le Hg / HgO sui atoatoa. gafatia sela po'o le eseesega.i le va o malosiaga e lua maa.O le okesene poʻo le ea faʻapipiʻi na tuʻuina atu i le pito i tua o le eletise OPP i le tafe faifai pea o le 200 cm3 / min.O le mautu o le uila ma le faʻatinoga o le eletise na suʻesuʻeina i le maualuga o le 20 mA cm-2, o le taamilosaga o le 30 min, ma le taimi malolo OCV o le 1 min i le va o afa taʻamilosaga taʻitasi.Le itiiti ifo o le 10 taamilosaga na faia mo suʻega taʻitasi, ma faʻamaumauga na maua mai le taamilosaga 1, 5, ma le 10 e fuafua ai le tulaga o le eletise i le taimi.
O le morphology o le ORR catalyst na faʻaalia e le SEM (Fig. 2), ma le paʻu X-ray diffraction fua faʻamaonia le fausaga tioata o faʻataʻitaʻiga (Fig. 3).O le fa'atulagaina o fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'iga o lo'o tu'uina atu i le Laulau 1. 1. Pe a fa'atusatusa le manganese oxides, MnO2 fa'apisinisi i le fig.2a e aofia ai ni vaega tetele, ma o le faʻasologa o faʻasologa i le Ata 3a e fetaui ma le JCPDS 24-0735 mo le tetragonal β-MnO2.I se isi itu, i luga o le MnOx luga i le Ata 2b o loʻo faʻaalia ai ni mea e sili atu ona lelei ma sili atu ona lelei, lea e fetaui ma le faʻasologa o le eseesega i le Ata 66 ° e fetaui ma tumutumu (110), (220), (310), (211), ma (541) o le α-MnO2 hydrate fa'atotonugalemu tetrahedral, JCPDS 44-014028.
(a) MnO2, (b) MnOx, (c) Co3O4, (d) NiCo2O4, (e) MnCo2O4, (f) Vulcan XC-72R, (g) graphene, (h) nitrogen doped graphene, (ma) 5 wt .% Pt/C.
Fa'ata o le X-ray o le (a) MnO2, (b) MnOx, (c) Co3O4, (d) NiCo2O4, (e) MnCo2O4, (f) Vulcan XC-72R, karafene ma graphene, ma le (g) 5 % platinum / kaponi.
I luga o le fig.2c-e, o le morphology i luga o le oxides e faavae ile cobalt Co3O4, NiCo2O4, ma le MnCo2O4 e aofia ai fuifui o vaega laiti e le masani ai.I luga o le fig.3c–e faaalia ai o nei suiga umauameaoxides ei ai se fausaga spinel ma se faiga tioata kupita tutusa (JCPDS 01-1152, JCPDS 20-0781, ma JCPDS 23-1237, faasologa).O lo'o fa'ailoa mai ai e mafai e le auala fa'apalapala fa'avevela ona maua ai ni u'amea u'amea sili ona tioata, e pei ona fa'amaonia mai i tumutumu malolosi fa'amalamalama lelei i le fa'asologa o le fa'a'ese'ese.
SEM ata o mea kaponi faʻaalia suiga tetele.I luga o le fig.2f Vulcan XC-72R carbon black e aofia ai nanoparticles mafiafia tumu.I se isi itu, o foliga vaaia o le graphene i le Ata. 2g o ni papatusi sili ona le atoatoa ma nisi o agglomerations.Ae ui i lea, o le N-doped graphene (Fig. 2h) e foliga mai e aofia ai ni mea manifinifi.Le fetaui X-ray diffraction mamanu o Vulcan XC-72R, pisinisi graphene nanosheets, ma N-doped graphene i Fig.O le 3f o loʻo faʻaalia suiga laiti i le 2θ tau o le (002) ma le (100) carbon peaks.Vulcan XC-72R o loʻo faʻaalia o se graphite hexagonal i le JCPDS 41-1487 faʻatasi ai ma tumutumu (002) ma le (100) faʻaalia i le 24.5 ° ma le 43.2 °.E faapena foi, o le (002) ma le (100) tumutumu o N-doped graphene e aliali mai i le 26.7 ° ma le 43.3 °, i le faasologa.O le malosi pito i tua o loʻo matauina i le X-ray diffraction patterns o Vulcan XC-72R ma nitrogen-doped graphene e mafua ona o le maualuga o le le mautonu o nei mea i totonu o latou morphology luga.I se faʻatusatusaga, o le faʻavasegaina o mamanu o le graphene nanosheets o loʻo faʻaalia ai se maʻai, malosi maualuga (002) i le 26.5 ° ma se laʻititi laʻititi lautele (100) i le 44 °, e faʻaalia ai se natura sili atu o le tioata o lenei faʻataʻitaʻiga.
Mulimuli ane, i le fig.2i SEM ata o le 5 wt.% Pt/C o lo'o fa'aalia ai fasi kaponi foliga o le tootoo ma ni avanoa lapotopoto.O le Cubic Pt e faʻamoemoeina mai le tele o tumutumu i le 5 wt% Pt / C diffraction pattern i le Ata 3g, ma o le tumutumu i le 23 ° e fetaui ma le (002) pito i luga o le kaponi o loʻo iai.
Sa fa'amauina le salu laina ole ORR catalyst voltammogram ile fua ole salu ole 5 mV s-1.Ona o tapula'a fe'avea'i tele, o fa'afanua o lo'o aoina (Fig. 4a) e masani lava ona i ai se S-foliga e fa'alautele atu i luga o se laufanua e sili atu le leaga.O le faʻatapulaʻaina o le mamafa o loʻo i ai nei, jL, gafatia E1 / 2 (pe a j / jL = ½) ma le malosi amata i le -0.1 mA cm-2 na maua mai i nei fasi fanua ma lisiina i le Laulau 2. E taua le matauina i le fig.4a, e mafai ona faʻavasegaina mea faʻamalosi e tusa ai ma o latou gafatia E1 / 2 i: (I) uʻamea uʻamea, (II) mea kasa, ma (III) metala mamalu.
Voltammograms salu laina o le (a) fa'apea ma (b) se ata manifinifi o le fa'amamafa ma le XC-72R, fuaina i luga o se su'esu'ega kaponi tioata RDE i le 400 rpm ma le fua fa'atatau o le 5 mV s-1 i le O2 saturation i le 298 K i le 1. M NaOH cf.
O faʻamaʻi uʻamea taʻitasi o Mn ma Co i le vaega I o loʻo faʻaalia muamua gafatia o le -0.17 V ma le -0.19 V i le faasologa, ma le E1 / 2 tau i le va o le -0.24 ma le -0.26 V. O le faʻaitiitia o gaioiga o nei uʻamea uʻamea o loʻo tuʻuina atu i le faʻatusatusaga. .(1) ma le (2), o loʻo faʻaalia i tafatafa o le faʻalavelave amata i le Ata.4a fetaui ma le tulaga masani o le laasaga muamua 2e o le auala le tuusao ORR i le faʻatusatusaga.(3).
O u'amea fa'afefiloi MnCo2O4 ma NiCo2O4 i le vaega lava e tasi o lo'o fa'aalia teisi fa'asa'o muamua gafatia i le -0.10 ma le -0.12 V, ae fa'atumauina tau E1/2 e tusa ma le 10.-0.23 volts.
Vaega II o mea kaponi e faʻaalia ai le sili atu ona lelei E1 / 2 tau nai lo le vaega I metal oxides.O mea a le Graphene o loʻo i ai le gafatia muamua o le -0.07 V ma le E1 / 2 tau o le -0.11 V, ae o le muamua gafatia ma le E1 / 2 o le 72R Vulcan XC- e -0.12V ma le -0.17V.I le vaega III, 5 wt% Pt / C na faʻaalia ai le tulaga sili ona lelei muamua i le 0.02 V, o le E1 / 2 o le -0.055 V, ma le tapulaa maualuga i le -0.4 V, talu ai o le faʻaitiitia o le okesene na tupu e ala i le maualuga o loʻo i ai nei o le ala 4e. .E iai foʻi le E1 / 2 pito maualalo ona o le maualuga o le conductivity o le Pt / C ma le kinetics reversible o le tali a le ORR.
Ata S2a o lo'o fa'ailoa mai ai le su'esu'ega o le ma'a a Tafel mo fa'alavelave eseese.O le kinetically controlled region of 5 wt.% Pt / C amata i le 0.02 V e tusa ai ma le Hg / HgO, aʻo le itulagi o uʻamea uʻamea ma mea kaponi o loʻo i totonu o le tele o mea le lelei mai le -0.03 i le -0.1 V. Le tau o le slope. mo Tafel Pt/C o le –63.5 mV ss–1, lea e masani ai mo Pt i le maualalo o le densities i le taimi nei dE/d log i = –2.3 RT/F31.32 lea o le fua-faatulagaina laasaga e aofia ai le suiga o le okesene mai le physisorption i. kemisorption33,34.O le tau o le tafel mo mea kaponi o loʻo i le itulagi tutusa ma Pt / C (-60 i -70 mV div-1), faʻapea o nei mea e tutusa uma auala ORR.O u'amea u'amea ta'ito'atasi o le Co ma le Mn o lo'o lipoti mai Tafel slope e amata mai i le -110 i le -120 mV dec-1, o le dE/d log i = -2.3 2RT/F, lea o le la'asaga fua-fa'atatau o le electron muamua.fesiitaiga laʻasaga 35, 36. Faʻamauina le maualuga o le faʻamaualuga faʻamaufaʻailoga mo uʻamea uʻamea fefiloi NiCo2O4 ma MnCo2O4, e uiga i -170 mV dec-1, faʻaalia ai le i ai o OH- ma H2O ion i luga o le oxide, lea e taofia ai le okesene adsorption ma fesiitaiga eletise, e afaina ai le okesene.ala fa'aitiitiga 35.
O le Kutetsky-Levich (KL) equation na faʻaaogaina e fuafua ai le kinetic reaction parameters mo faʻataʻitaʻiga faʻataʻitaʻi eseese e aunoa ma le fesiitaiga tele.i le fa'atusa.(4) o le aofaʻi o le mamafa o loʻo fuaina i le taimi nei j o le aofaʻi o le densities o loʻo i ai nei o le faʻaliliuina o le eletise ma le faʻafefe tele.
mai le fa'atusa.(5) O le fa'atapula'aina o le mamafa o le taimi nei jL e fa'atusatusa i le a'a sikuea o le saoasaoa o le taamilo.O le mea lea, o le KL equation.(6) o lo'o fa'amatala mai ai se laina kalafi o le j−1 fa'asaga i le ω−1//2, lea o le fa'asagaga o le jk ma le fa'agae'e o le kalafi o le K.
lea o le ν o le viscosity kinematic o le electrolyte 1 M NaOH (1.1 × 10–2 cm2 s–1)37, D o le diffusion coefficient o le O2 i le 1 M NaOH (1.89 × 10–5 cm2 s–1)38, ω o le rpm o le saoasaoa o le taamilosaga, C o le faʻaogaina o le okesene i le vaifofo tele (8.4 × 10-7 mol cm-3)38.
Aoina mai voltammograms salu laina fa'aaoga RDE ile 100, 400, 900, 1600, ma le 2500 rpm.O tau na ave mai le -0.4 V i le vaega faʻatapulaʻaina o le fesiitaiga o le tele e faʻapipiʻi le ata KL, e pei o -j-1 versus ω-1//2 mo le faʻamalosi (Fig. S3a).Fa'aaogā fa'atusa.I fa'atusatusaga (6) ma le (7), o fa'ailoga fa'atinoga o le fa'aoso, e pei o le kinetic current density e aunoa ma le amanaia o a'afiaga o le tele o felauaiga jk, o lo'o fa'amoemoeina i le tulaga o le va'aiga ma le axis y, ma le numera o fa'aliliuga fa'aeletonika e fa'atatau i le fa'alili K o le pi'o.O lo'o lisiina i le laulau 2.
5 wt% Pt/C ma le XC-72R o lo'o i ai le tulaga aupito maualalo o le jk, e fa'aalia ai le kinetics vave mo nei mea.Ae ui i lea, o le slope o le XC-72R curve e toetoe lava faaluaina mo le 5 wt% Pt / C, lea e faʻamoemoeina talu ai o K o se faʻaaliga o le numera o eletise na faʻafeiloaʻi i le taimi o le faʻaitiitia o le okesene.O le mea moni, o le KL plot mo le 5 wt% Pt / C e tatau ona pasia le 39 amataga i lalo o le faʻatapulaʻaina o tulaga faʻafeiloaʻiga, peitaʻi e le o matauina lenei mea i le Ata S3a, o loʻo fautua mai ai le kinetic poʻo le faʻatapulaʻaina tapulaa e aʻafia ai iʻuga.Atonu e mafua ona o Garsani et al.40 ua faʻaalia ai o faʻaletonu laiti i le topology ma le morphology o Pt / C catalytic films e mafai ona aʻafia ai le saʻo o tau o gaoioiga a le ORR.Ae ui i lea, talu ai sa saunia uma ata faʻamalosi i le auala lava e tasi, soʻo se aafiaga i taunuuga e tatau ona tutusa mo faʻataʻitaʻiga uma.O le graphene KL cross point o le ≈ -0.13 mA-1 cm2 e faʻatusatusa i le XC-72R, ae o le -0.20 mA-1 cm2 cross point mo le N-doped graphene KL kalafi o loʻo faʻaalia ai o le mamafa o loʻo i ai nei e sili atu e faalagolago i luga. le voltage i luga o le catalytic converter.Atonu e mafua ona o le mea moni e faapea o le nitrogen doping o le graphene e faʻaitiitia ai le faʻaogaina o le eletise, ma mafua ai le faʻagesegese o le faʻaogaina o le eletise eletise.I se fa'atusatusaga, o le aofa'i K o le nitrogen-doped graphene e la'ititi nai lo le graphene ona o le i ai o le nitrogen e fesoasoani e fausia ai nofoaga sili atu ona gaioi mo ORR41,42.
Mo oxides e faʻavae i luga o le manganese, o le vaeluaga o le pito sili ona maualuga o loʻo matauina - 0.57 mA-1 cm2.Ae ui i lea, o le tau K atoatoa o le MnOx e sili atu le maualalo nai lo le MnO2 ma e latalata ile 5 wt%.%Pt/C.O numera fesiitaiga eletise na fuafuaina e tusa.O le MnOx o le 4 ma le MnO2 e latalata i le 2. O loʻo ogatasi lea ma taunuʻuga o loʻo lolomiina i tusitusiga, o loʻo lipotia mai o le numera o le eletise eletise i le α-MnO2 ORR ala o le 4, ae o le β-MnO243 e masani ona itiiti ifo i le 4. O lea la. , O le auala o le ORR e eseese mo ituaiga polymorphic eseese o catalysts e faʻavae i luga o le manganese oxide, e ui lava e tumau pea le tutusa o fua faatatau o vailaʻau.Aemaise lava, o le MnOx ma le MnCo2O4 catalysts o loʻo i ai numera faʻafeiloaʻi eletise e sili atu le maualuga nai lo le 4 ona o le faʻaitiitia o oxide manganese o loʻo i ai i totonu o nei faʻamalosi e tupu faʻatasi ma le faʻaitiitia o le okesene.I se galuega talu ai, na matou iloa ai o le faʻaitiitia o le eletise o le manganese oxide e tupu i le tulaga tutusa e pei o le faʻaitiitia o le okesene i se vaifofo tumu i le nitrogen28.O le sao o tali i le itu e tau atu i se numera fuafuaina o electrons e sili atu nai lo le 4.
O le vaeluaga o le Co3O4 o le ≈ −0.48 mA-1 cm2, lea e itiiti ifo le leaga nai lo ituaiga e lua o le manganese oxide, ma o le numera faʻafeiloaʻiga eletise e fuafua i le tau o K e tutusa ma le 2. Suia Ni i NiCo2O4 ma Mn i MnCo2O4 e le Co e taʻitaʻia ai le faʻaitiitia o le aofaʻi K, lea e faʻaalia ai se faʻaleleia atili o le eletise eletise eletise i uʻamea faʻafefiloi.
E fa'apipi'i fo'i le kaponi i le vaitusi fa'aoso o le ORR e fa'ateleina ai le fa'auluina o le eletise ma fa'afaigofie ai le fa'atulagaina o tuaoi e tolu-vaega i fa'aeletise fa'asalalau kesi.Vulcan-XC-72R na filifilia ona o lona tau maualalo, vaega tele luga ole 250 m2·g-1, ma maualalo resistivity o le 0.08 i le 1 Ω·cm44.45.O se fasi fanua LSV o se faʻataʻitaʻiga faʻamalosi faʻafefiloi ma Vulcan XC-72R i le 400 rpm o loʻo faʻaalia i le Ata 1. 4b.O le a'afiaga sili ona manino o le fa'aopoopoina o le Vulcan XC-72R o le fa'ateleina lea o le maualuga o lo'o iai nei.Manatua o lenei mea e sili atu ona matauina mo u'amea u'amea, fa'atasi ai ma le 0.60 mA cm-2 fa'aopoopo mo u'amea u'amea tasi, 0.40 mA cm-2 mo u'amea fa'afefiloi, ma le 0.28 mA cm-2 mo kalafi ma kalafi doped.N. Fa'aopoopo le 0.05 mA cm-2.−2.O le faʻaopoopoina o le Vulcan XC-72R i le vaitusi faʻamalosi na mafua ai foi se suiga lelei i le amataga ma le E1 / 2 afa-galu gafatia mo catalysts uma vagana graphene.O nei suiga e ono mafua mai i le fa'ateleina o le fa'aogaina o le vaega fa'aeletise46 ma fa'aleleia atili le feso'ota'iga47 i le va o vaega fa'amalosi i luga ole Vulcan XC-72R fa'apipi'i lagolago.
O lo'o fa'aalia i le Ata S2b ma le Laulau 3 le fa'asologa o Tafel ma ta'otoga kinetic mo nei fa'afefiloi fa'amalosi.E tutusa le tau o Tafel mo mea MnOx ma graphene faʻatasi ma le leai o le XC-72R, e faʻaalia ai e leʻi afaina a latou auala ORR.Ae ui i lea, o le cobalt-based oxides Co3O4, NiCo2O4 ma MnCo2O4 na tuʻuina atu ai ni faʻataʻitaʻiga le lelei o Tafel i le va o le -68 ma le -80 mV dec-1 faʻatasi ma le XC-72R e faʻaalia ai se suiga i le ala ORR.O le Ata S3b o lo'o fa'aalia ai se fa'ailoga KL mo se fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'i fa'atasi ma le Vulcan XC-72R.I se tulaga lautele, o le faʻaitiitia o le aofaʻi o le jk na matauina mo faʻalavelave uma faʻafefiloi ma XC-72R.Na fa'aalia e le MnOx le fa'aitiitia tele o le tau o le jk e 55 mA-1 cm2, a'o fa'amauina e le NiCo2O4 le fa'aitiitia o le 32 mA-1 cm-2, ma o le graphene na fa'aalia ai le fa'aititia o le 5 mA-1 cm2.E mafai ona faʻauʻuina o le aʻafiaga o le Vulcan XC-72R i luga o le faʻatinoga o le faʻaogaina o loʻo faʻatapulaʻaina e le gaioiga muamua o le faʻaogaina i tulaga o le OVR.
Vulcan XC-72R e le afaina ai le K tau o NiCo2O4, MnCo2O4, graphene, ma nitrogen-doped graphene.Ae ui i lea, o le K tau o Co3O4 na faʻaititia tele i le faʻaopoopoga o le Vulcan XC-72R, e faʻaalia ai le faʻateleina o le numera o eletise na faʻafeiloaʻi e le ORR.O lea fa'atasiga fa'atasi o le Co3O4 ma vaega kaponi ua fa'ailoa mai i refs.48, 49. I le leai o se lagolago carbon, o le Co3O4 e manatu e fa'atupuina le fa'asoaina o le HO2- i le O2 ma le OH-50.51, lea e fetaui lelei ma le numera o le eletise eletise Co3O4 e tusa ma le 2 i le Laulau 2. O lea, o le adsorption faaletino o Co3O4 i luga o le carbon substrates e faamoemoe e maua ai se 2 + 2 fa-electron ORR ala52 e muamua electroreduces O2 i HO2- i le atinaʻe o le Co3O4 catalyst ma Vulcan XC-72R (faatusa 1) ona sosoo ai lea ma HO2 - O le vave disproportionated ua liua luga o le oxide uamea i le O2 sosoo ai ma le electroreduction.
I se faʻatusatusaga, o le aofaʻi atoatoa o K MnOx na faʻateleina i le faʻaopoopoga o le Vulcan XC-72R, lea e fai ma sui o le faʻaitiitia o le numera o le eletise mai le 4.6 i le 3.3 (Table 3).E mafua lenei mea ona o le i ai o ni nofoaga se lua i luga o le carbon catalyst composite mo le auala eletise e lua.O le faʻaitiitiga muamua o le O2 i le HO2- e sili atu ona faigofie i luga o lagolago carbon, e mafua ai le faʻateleina o le fiafia mo le auala e lua-eletonika o le ORR53.
O le mautu o le catalyst sa iloiloina i le GDE afa-cell i le tele o densities o iai nei.I luga o le fig.5 o lo'o fa'aalia ai fa'asologa o mea e mafai ona fa'atusatusa i le taimi mo le GDE MnOx, MnCo2O4, NiCo2O4, graphene, ma le nitrogen-doped graphene.O le MnOx o loʻo faʻaalia lelei le mautu atoa ma le faʻatinoga o le ORR i le maualalo ma le maualuga o loʻo iai nei, e faʻaalia ai e talafeagai mo le faʻaleleia atili.
Chronopotentiometry o faʻataʻitaʻiga HDE i le taimi nei mai le 10 i le 100 mA / cm2 i le 1 M NaOH, 333 K, O2 tafe 200 cm3 / min.
O le MnCo2O4 e foliga mai o lo'o fa'atumauina lelei le mautu o le ORR i le va'aiga maualuga o lo'o i ai nei, ae i le maualuga o le densities o lo'o i ai nei o le 50 ma le 100 mA cm-2 o lo'o va'aia le tele o fa'alavelave e fa'aalia ai e le lelei le MnCo2O4 e pei o le MnOx.O le Graphene GDE o loʻo faʻaalia le pito maualalo o le ORR faʻatinoga i luga o le maualuga o loʻo i ai nei na faʻataʻitaʻiina, faʻaalia ai le pa'ū vave o le faʻatinoga i le 100 mA cm-2.O le mea lea, i lalo o tulaga faʻataʻitaʻiga filifilia, MnOx GDE na filifilia mo nisi suʻega i le Zn-air secondary system.