DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908401
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Xinxin Liang وآخرون
الموضوع الرئيسي: المحفزات الكهربائية لتحويل الطاقة
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير محفز كهربائي أحادي الذرة ثنائي المعدن، NiCo/كربون مخدر بالنيتروجين (NC)-حمض التانيك (TA)، يهدف إلى تعزيز أداء تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER). يتميز هذا المحفز بشكل مجوف غير مغلق، والذي، جنبًا إلى جنب مع بنية مسامية هرمية وزيادة في المحبة للماء على السطح، يحسن بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى المواقع النشطة. تشير الحسابات النظرية إلى أن النيكل (Ni) يعزز نقل الإلكترون من مواقع الكوبالت (Co)، مما يؤدي إلى انخفاض في مركز نطاق d الذي يقلل من الإفراط في امتصاص وسائط التفاعل ويخفض الحواجز الطاقية لكلا التفاعلين.
تظهر النتائج التجريبية أن NiCo/NC-TA يتفوق على أداء Pt/C-20% التجارية في اختبارات ORR القلوية، حيث يحقق جهد نصف موجة قدره 0.896 فولت ويحافظ على 98% من تياره بعد 10 ساعات من اختبار المتانة. بالإضافة إلى ذلك، يظهر المحفز نتائج واعدة في بطاريات الزنك-هواء، مع جهد دائرة مفتوحة قدره 1.49 فولت وسعة محددة قدرها 764.1 مللي أمبير·غ⁻¹. كما أن نشاط HER ملحوظ أيضًا، مع جهد زائد منخفض قدره 92 مللي فولت عند كثافة تيار قدرها 120 مللي أمبير·سم⁻²، مما يتطابق مع Pt/C-20%. بشكل عام، يبرز هذه الدراسة إمكانيات دمج هندسة المسامية والتآزر الإلكتروني في تصميم محفزات كهربائية فعالة لتطبيقات تحويل الطاقة والتخزين.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الدور الحاسم لتفاعل تطور الهيدروجين (HER) وتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) في تعزيز أنظمة الطاقة المستدامة، لا سيما في خلايا الوقود وتوليد الطاقة الكهروكيميائية. بينما تُعتبر محفزات البلاتين (Pt) المعيار لهذه التفاعلات، فإن ندرتها دفعت إلى استكشاف بدائل غير ثمينة، لا سيما المحفزات القائمة على المعادن الانتقالية مثل الحديد (Fe) والكوبالت (Co) والنيكل (Ni). من بين هذه المحفزات، أظهرت محفزات الذرات الفردية (SACs)، وخاصة هياكل Co-N-C، وعدًا بسبب استخدامها العالي للذرات واستقرارها. ومع ذلك، فإن أداء SACs Co-N-C محدود بالنشاط الجوهري لمواقع Co-N₄ وإمكانية الوصول إلى المواقع النشطة، والتي غالبًا ما تعيقها الطبيعة المسامية الدقيقة لطرق التخليق التقليدية.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون استراتيجية موحدة للنقش-التحلل الحراري لإنشاء محفز أحادي الذرة ثنائي المعدن (NiCo/كربون مخدر بالنيتروجين (NC)-حمض التانيك (TA)) يعزز كل من الخصائص الإلكترونية والمعمارية. تؤدي هذه الطريقة إلى شكل مجوف غير مغلق وبنية مسامية، مما يحسن بشكل كبير من إمكانية الوصول إلى المواقع النشطة والمحبة للماء. تظهر حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن التعديل الإلكتروني الذي يتم بوساطة النيكل يحسن النشاط التحفيزي الثنائي الوظائف لمواقع Co-N₄، مما يؤدي إلى خفض الحواجز الطاقية للخطوات الرئيسية للتفاعل. تظهر النتائج التجريبية أن محفز NiCo/NC-TA يتفوق على Pt/C-20% في تقييمات ORR، حيث يحقق جهد نصف موجة قدره 0.896 فولت ويحافظ على استقرار عالٍ. بالإضافة إلى ذلك، يظهر نشاط HER تنافسي ويظهر أداءً ممتازًا في بطاريات الزنك-هواء، مما يشير إلى إمكانيته للتطبيقات العملية في تقنيات الطاقة المستدامة.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة مصدرها تجاريًا دون مزيد من التنقية. تضمنت المواد الكيميائية المحددة نترات الزنك سداسية الماء (Zn(NO₃)₂•6H₂O) من XiHua، ونترات الكوبالت سداسية الماء (Co(NO₃)₂•6H₂O) ونترات النيكل سداسية الماء (Ni(NO₃)₂•6H₂O) من Comie، وحمض التانيك (درجة ACS) من Aladdin. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على أكسيد الروثينيوم و2-ميثيل إيميدازول (AR) أيضًا من Aladdin، بينما تم الحصول على البلاتين على الكربون (Pt/C، 20 wt.%) من Alfa Aesar، وتم الحصول على محلول نافيون (5 wt.%) من DuPont. تم توفير الميثانول والإيثانول من Tianjin Fuyu Reagents. تؤكد هذه الاختيارات الدقيقة للمواد الكيميائية التزام الدراسة باستخدام مواد عالية الجودة لتحقيق نتائج تجريبية موثوقة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى وجود علاقة قوية بين المتغيرات المستقلة والنتائج التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن التدخل أدى إلى تحسين ملحوظ في المعلمات المقاسة، مما يشير إلى فعاليته في التطبيق المستهدف.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية. يؤكد المؤلفون على أهمية نتائجهم في تعزيز فهم الظاهرة قيد التحقيق ويقترحون طرقًا محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتساهم بأفكار قيمة في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق محفز ثنائي المعدن مسامي مفتوح-مجوف محب للماء، NiCo/NC-TA، من خلال استراتيجية نقش-تحلل حراري محكومة، مما يعزز إمكانية الوصول إلى المواقع النشطة داخل مصفوفة الكربون. شملت عملية التخليق إعداد إطار إيميدازولات زيلوتيك من الزنك والكوبالت والنيكل (ZIF) تلاه نقش بحمض التانيك وتحلل حراري لاحق. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، حجم الجسيمات المتجانس والتشتت العالي لمركبات Ni/Co، بينما كشف المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) عن تشتت ذري فردي مع مسافة بين الذرات متوسطة تبلغ حوالي 5.5 Å. أظهر المحفز مساحة سطح محددة عالية تبلغ 550 سم²/غ وخصائص محبة للماء محسنة، وهي ضرورية لتعزيز نقل الكتلة واستخدام المواقع النشطة خلال العمليات الكهروكيميائية.
أظهرت تقييمات الأداء الكهروكيميائي أن NiCo/NC-TA تفوق على المحفزات الأخرى في تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER)، حيث حقق كثافة تيار قدرها 39.53 مللي أمبير/سم² عند 0.85 فولت وانحدار Tafel منخفض قدره 47.04 مللي فولت/عشرية، مما يدل على كينتيك تفاعل متفوقة. حافظ المحفز على استقرار عالٍ، مع انخفاض تيار قدره 2% فقط على مدى 10 ساعات، وأظهر تحملًا ممتازًا للميثانول، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات في أجهزة تخزين الطاقة مثل بطاريات الزنك-هواء (ZABs). أظهرت بطاريات الزنك-هواء التي تستخدم NiCo/NC-TA كثافة طاقة قصوى قدرها 164.8 مللي واط/سم² وسعة محددة قدرها 764.1 مللي أمبير/غ، متفوقة على النظائر التجارية. بشكل عام، تسلط هذه البحث الضوء على إمكانيات NiCo/NC-TA كمحفز فعال لتطبيقات تحويل الطاقة والتخزين، مدعومة بكل من النتائج التجريبية وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي تحدد Co كمركز نشط لـ ORR وHER.
DOI: https://doi.org/10.26599/nr.2026.94908401
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Xinxin Liang et al.
Primary Topic: Electrocatalysts for Energy Conversion
Overview
The research presents the development of a bimetallic single-atom electrocatalyst, NiCo/nitrogen-doped carbon (NC)-tannic acid (TA), aimed at enhancing the performance of the oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen evolution reaction (HER). This catalyst features an unclosed hollow morphology, which, combined with a hierarchical porous architecture and increased surface hydrophilicity, significantly improves the accessibility of active sites. Theoretical calculations indicate that nickel (Ni) enhances electron transfer from cobalt (Co) sites, leading to a downshift in the d-band center that reduces the over-adsorption of reaction intermediates and lowers energy barriers for both reactions.
Experimental results demonstrate that NiCo/NC-TA surpasses the performance of commercial Pt/C-20% in alkaline ORR tests, achieving a half-wave potential of 0.896 V and maintaining 98% of its current after 10 hours of durability testing. Additionally, the catalyst shows promising results in Zn-air batteries, with an open-circuit voltage of 1.49 V and a specific capacity of 764.1 mAh·g⁻¹. The HER activity is also notable, with a low overpotential of 92 mV at a current density of 120 mA·cm⁻², matching that of Pt/C-20%. Overall, this study highlights the potential of integrating porosity engineering and electronic synergy in designing efficient electrocatalysts for energy conversion and storage applications.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the critical role of the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen reduction reaction (ORR) in advancing sustainable energy systems, particularly in fuel cells and electrochemical power generation. While platinum (Pt) catalysts are the benchmark for these reactions, their scarcity has driven the exploration of non-precious alternatives, particularly transition metal-based catalysts like Fe, Co, and Ni. Among these, single atom catalysts (SACs), especially Co-N-C structures, have shown promise due to their high atomic utilization and stability. However, the performance of Co-N-C SACs is limited by the intrinsic activity of Co-N₄ sites and the accessibility of active sites, which are often hindered by the microporous nature of conventional synthesis methods.
To address these challenges, the authors propose a unified etching-pyrolysis strategy to create a bimetallic single atom catalyst (NiCo/nitrogen-doped carbon (NC)-tannic acid (TA)) that enhances both electronic and architectural properties. This method results in an unclosed hollow morphology and mesoporous structure, significantly improving active site accessibility and hydrophilicity. Density functional theory (DFT) computations demonstrate that the Ni-mediated electronic modulation optimizes the bifunctional catalytic activity of Co-N₄ sites, leading to lower energy barriers for key reaction steps. Experimental results show that the NiCo/NC-TA catalyst outperforms Pt/C-20% in ORR assessments, achieving a half-wave potential of 0.896 V and maintaining high stability. Additionally, it exhibits competitive HER activity and demonstrates excellent performance in Zn-air batteries, indicating its potential for practical applications in sustainable energy technologies.
Methods
In the experimental section of the study, all chemicals utilized were commercially sourced without further purification. The specific reagents included zinc nitrate hexahydrate (Zn(NO₃)₂•6H₂O) from XiHua, cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO₃)₂•6H₂O) and nickel nitrate hexahydrate (Ni(NO₃)₂•6H₂O) from Comie, and tannic acid (ACS grade) from Aladdin. Additionally, ruthenium oxide and 2-methylimidazole (AR) were also obtained from Aladdin, while platinum on carbon (Pt/C, 20 wt.%) was sourced from Alfa Aesar, and Nafion solution (5 wt.%) was acquired from DuPont. Methanol and ethanol were provided by Tianjin Fuyu Reagents. This careful selection of reagents underscores the study’s commitment to using high-quality materials for reliable experimental outcomes.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates a strong correlation between the independent variables and the dependent outcomes, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Notably, the results demonstrate that the intervention led to a marked improvement in the measured parameters, suggesting its effectiveness in the targeted application.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within existing literature. The authors emphasize the relevance of their results in advancing understanding of the phenomenon under investigation and propose potential avenues for future research. Overall, the results substantiate the hypothesis and contribute valuable insights to the field.
Discussion
In this study, a hydrophilic open-hollow porous bimetallic catalyst, NiCo/NC-TA, was synthesized through a controlled etching-pyrolysis strategy, which enhances the accessibility of active sites within the carbon matrix. The synthesis involved the preparation of a zinc-cobalt-nickel zeolitic imidazolate framework (ZIF) followed by tannic acid etching and subsequent pyrolysis. Characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM) and X-ray powder diffraction (XRD), confirmed the uniform particle size and high dispersion of Ni/Co species, while transmission electron microscopy (TEM) revealed single-atom dispersion with an average interatomic spacing of approximately 5.5 Å. The catalyst exhibited a high specific surface area of 550 cm²/g and improved hydrophilicity, which are critical for enhancing mass transport and active site utilization during electrocatalytic processes.
Electrocatalytic performance evaluations demonstrated that NiCo/NC-TA outperformed other catalysts in the oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen evolution reaction (HER), achieving a current density of 39.53 mA/cm² at 0.85 V and a low Tafel slope of 47.04 mV/dec, indicative of superior reaction kinetics. The catalyst maintained high stability, with only a 2% current decay over 10 hours, and demonstrated excellent methanol tolerance, making it suitable for applications in energy storage devices like zinc-air batteries (ZABs). The ZABs utilizing NiCo/NC-TA exhibited a peak power density of 164.8 mW/cm² and a specific capacity of 764.1 mAh/g, outperforming commercial counterparts. Overall, this research highlights the potential of NiCo/NC-TA as an efficient catalyst for energy conversion and storage applications, supported by both experimental results and density functional theory (DFT) calculations that identify Co as the active center for ORR and HER.