DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-55862-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775107
تاريخ النشر: 2025-01-07
المؤلف: Xiaochen Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الاهتمام المتزايد في المحفزات ذات الذرات المزدوجة (DACs) بسبب تفاعلاتها التآزرية ومواقعها النشطة المحددة جيدًا، والتي تعتبر حاسمة لتعزيز التفاعلات التحفيزية متعددة الخطوات. تركز هذه الدراسة على تصميم DACs غير المتماثلة القائمة على السيلينيوم التي تتميز بـ SeN₂-MN₂ (حيث تمثل M معادن مختلفة مثل Fe وMn وCo وNi وCu وMo، إلخ) خصيصًا لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR). من خلال التوصيف الطيفي والحسابات النظرية، وُجد أن ذرات السيلينيوم غير المتماثلة تقوم بقطبية توزيع الشحنة لذرات المعادن المجاورة، مما يحسن الأداء التحفيزي.
من بين المحفزات المطورة، أظهر محفز الذرات المزدوجة من السيلينيوم والحديد أداءً استثنائيًا في تفاعل اختزال الأكسجين القلوي، محققًا جهد نصف الموجة قدره 0.926 فولت مقابل قطب هيدروجين قابل للعكس. بالإضافة إلى ذلك، أظهر بطارية الزنك-الهواء القائمة على SeN₂-FeN₂ سعة نوعية عالية قدرها 764.8 مللي أمبير ساعة غرام⁻¹ وكثافة طاقة قصوى قدرها 287.2 مللي واط سم⁻². تؤكد هذه الأبحاث على إمكانيات DACs غير المتماثلة في تعزيز كفاءة ORR، وهو أمر حاسم لتطوير تقنيات تخزين وتحويل الطاقة المتجددة من الجيل التالي، مثل بطاريات المعادن-الهواء وخلايا الوقود، بهدف تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وتحقيق انبعاثات صفرية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع مواد Fe/C باستخدام فحم الكربون Vulcan XC-72R كركيزة. تضمنت التحضيرات سونكة 90 ملغ من Vulcan XC-72R مع كميات متغيرة من خلات الحديد (III) (6 و18 و30 ملغ) في الإيثانول. بعد التبخر الكامل للإيثانول من خلال التسخين والتحريك، تم تسخين المساحيق المختلطة الناتجة في فرن أنبوبي تحت جو من النيتروجين، حيث وصلت درجة الحرارة إلى 900 درجة مئوية بمعدل 3 درجات مئوية في الدقيقة\(^{-1}\). خضعت المواد لعملية تلدين لمدة ساعتين قبل أن تبرد بشكل طبيعي إلى درجة حرارة الغرفة، مما أدى إلى تكوين ثلاث مواد متميزة تم تعيينها كـ Fe/C-1 وFe/C-3 وFe/C-5.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات المهمة التي تم ملاحظتها. غالبًا ما تكون النتائج مصحوبة بتحليلات إحصائية ذات صلة، بما في ذلك قيم p وفترات الثقة، للتحقق من النتائج. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام أي تمثيلات بيانية، مثل الرسوم البيانية أو الجداول، لتوضيح البيانات بشكل فعال.
يؤكد القسم على تداعيات النتائج فيما يتعلق بفرضية البحث أو الأهداف. قد يقارن أيضًا النتائج بالدراسات السابقة، مناقشًا التوافقات أو التباينات. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة عامة واضحة وشاملة على الأدلة التجريبية التي تم جمعها، مما يمهد الطريق للنقاشات والاستنتاجات اللاحقة.
المناقشة
تضمنت عملية تخليق وتوصيف SeFe-C₂N عملية متعددة الخطوات، بدأت بتكوين بوليمر متقاطع من سيكلوهكسانهكسون ويوريا، تلتها عملية التحلل الحراري وتخليق ذوبان الملح مع MgCl₂ لإنتاج مادة غنية بالنيتروجين C₂N. أدى الخلط اللاحق مع SeO₂ ومزيد من التحلل الحراري إلى إنتاج محفز SeFe-C₂N، الذي يتميز بهيكل نانو شيت ثنائي الأبعاد مع توزيع ذري لـ Se وFe. أكدت المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) والمجهر الإلكتروني الماسح ذو الزاوية العالية (HAADF-STEM) وجود مواقع ذرات مزدوجة، حيث كانت حوالي 82% من المواقع النشطة تكوينات ذرات مزدوجة. تشير قرب ذرات Se وFe (حوالي 2.3 Å) إلى تأثير تآزري يعزز الأداء التحفيزي.
أظهرت اختبارات التحفيز الكهربائي أن SeFe-C₂N أظهر نشاطًا متفوقًا في تفاعل اختزال الأكسجين (ORR)، مع جهد نصف الموجة (E₁/₂) قدره 0.926 فولت مقابل RHE، متفوقًا على Se-C₂N وFe-C₂N. كانت كثافة التيار الحركي للمحفز عند 0.9 فولت أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمحفزات ذات الذرات الفردية والمبنية على البلاتين، مما يشير إلى نشاط داخلي معزز. كشفت تحليل منحدر تافل عن كينيات ORR مواتية، بينما أظهرت طيفية مقاومة الإلكترون (EIS) خصائص نقل شحنة فعالة. أظهرت اختبارات الاستقرار على المدى الطويل أن SeFe-C₂N حافظ على 84% من نشاطه الأولي بعد 700 دقيقة من التشغيل، مما يدل على إمكانيته للتطبيقات العملية، بما في ذلك في بطارية الزنك-الهواء محلية الصنع، حيث تفوق على أقطاب Pt/C التجارية من حيث كثافة الطاقة والسعة النوعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-55862-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39775107
Publication Date: 2025-01-07
Author(s): Xiaochen Wang et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research highlights the growing interest in dual-atom catalysts (DACs) due to their synergistic interactions and well-defined active sites, which are crucial for enhancing multistep catalytic reactions. This study focuses on the design of asymmetric selenium-based DACs featuring heteronuclear SeN₂-MN₂ (where M represents various metals such as Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Mo, etc.) specifically for the oxygen reduction reaction (ORR). Through spectroscopic characterization and theoretical calculations, it was found that heteronuclear selenium atoms effectively polarize the charge distribution of adjacent metal atoms, thereby improving catalytic performance.
Among the developed catalysts, the selenium-iron dual-atom catalyst demonstrated exceptional alkaline ORR performance, achieving a half-wave potential of 0.926 V versus a reversible hydrogen electrode. Additionally, the SeN₂-FeN₂-based zinc-air battery exhibited a high specific capacity of 764.8 mAh g⁻¹ and a maximum power density of 287.2 mW cm⁻². This research underscores the potential of heteronuclear DACs in advancing the efficiency of ORR, which is critical for the development of next-generation renewable energy storage and conversion technologies, such as metal-air batteries and fuel cells, aimed at reducing reliance on fossil fuels and achieving net-zero emissions.
Methods
In this study, Fe/C materials were synthesized using Vulcan XC-72R carbon black as the substrate. The preparation involved sonication of 90 mg of Vulcan XC-72R with varying amounts of Iron(III) acetylacetonate (6, 18, and 30 mg) in ethanol. After the complete evaporation of ethanol through heating and stirring, the resulting mixed powders were heated in a tube furnace under a nitrogen atmosphere, reaching a temperature of 900 °C at a rate of 3 °C min\(^{-1}\). The materials underwent a 2-hour annealing process before being naturally cooled to room temperature, resulting in the formation of three distinct materials designated as Fe/C-1, Fe/C-3, and Fe/C-5.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It details the outcomes of the study, highlighting significant data points and trends observed. The results are often accompanied by relevant statistical analyses, including p-values and confidence intervals, to validate the findings. Additionally, any graphical representations, such as charts or tables, are utilized to illustrate the data effectively.
The section emphasizes the implications of the results in relation to the research hypothesis or objectives. It may also compare the findings with previous studies, discussing consistencies or discrepancies. Overall, this section serves to provide a clear and comprehensive overview of the empirical evidence gathered, laying the groundwork for subsequent discussions and conclusions.
Discussion
The synthesis and characterization of SeFe-C₂N involved a multi-step process, beginning with the formation of a cross-linked polymer from cyclohexanehexone and urea, followed by pyrolysis and salt melt synthesis with MgCl₂ to yield a nitrogen-rich C₂N material. Subsequent mixing with SeO₂ and further pyrolysis resulted in the SeFe-C₂N catalyst, characterized by a two-dimensional nanosheet structure with atomically dispersed Se and Fe. Transmission electron microscopy (TEM) and high-angle annular dark-field scanning TEM (HAADF-STEM) confirmed the presence of dual-atom sites, with approximately 82% of the active sites being dual-atom configurations. The proximity of Se and Fe atoms (approximately 2.3 Å) suggests a synergistic effect that enhances catalytic performance.
Electrocatalytic tests demonstrated that SeFe-C₂N exhibited superior oxygen reduction reaction (ORR) activity, with a half-wave potential (E₁/₂) of 0.926 V vs. RHE, outperforming Se-C₂N and Fe-C₂N. The catalyst’s kinetic current density at 0.9 V was significantly higher than that of both single-atom and platinum-based catalysts, indicating enhanced intrinsic activity. The Tafel slope analysis revealed favorable ORR kinetics, while electrochemical impedance spectroscopy (EIS) indicated efficient charge transfer properties. Long-term stability tests showed that SeFe-C₂N maintained 84% of its initial activity after 700 minutes of operation, demonstrating its potential for practical applications, including in a homemade Zn-air battery, where it outperformed commercial Pt/C electrodes in terms of power density and specific capacity.