فعال‌سازی سطحی در جهت آرایه های دی اکسید منگنز از طریق مهندسی پلاسما
چکیده
توسعه الکتروکاتالیست‌های کم هزینه و پربازده برای شکافت آب امری مهم و در عین حال چالش برانگیز است. آرایه‌های نانوصفحات دوبعدی دی اکسید منگنز (MnO2) به واسطه مساحت بزرگ سطح شان، گزینه‌های نویدبخشی در زمینه طراحی و توسعه کاتالیست‌های پیشرفته به شمار می‌روند. در این مقاله، یک راه‌حل عملی برای بهبود فعالیت کاتالیستی مواد دی اکسید منگنز از طریق آرایش مکان‌های فعال روی سطح ارائه شده است. در این راستا، با کمک مهندسی پلاسما توانستیم امکان فعالیت سطح نانوصفحات دی اکسید منگنز را با آرایش گونه‌های P یا Fe به همراه تهی جاهای غنی روی سطح با موفقیت فراهم کنیم. گونه‌های آرایش شده (P-MnO2) یا Fe (Fe-MnO2) به ترتیب برای جذب پروتون‌ها و OH- بسیار مفید بودند و تهی جاهای غنی اکسیژن نیز موجب تشکیل Mn3+ پایدار شدند که به انتقال الکترون و بار الکتریکی کمک می‌‌کردند. بنابراین می‌توان به افزایش مناطق ویژه فعال از نظر الکتروشیمیایی، تسریع روند انتقال بار و نیز ساختار الکترونیکی مناسب سطح دست یافت. براساس این نوع راهبرد فعال‌سازی، P-MnO2 و Fe-MnO2 ساخته شده عملکرد کاتالیستی بسیار خوبی در زمینه‌ی واکنش‌های تکامل هیدروژن تکامل اکسیژن از خود نشان دادند. تا جایی که اطلاع داریم، عملکرد P-MnO2 و Fe-MnO2 در اکثر الکتروکاتالیست‌های مبتنی بر دی اکسید منگنز در حوزه‌ی شکافت الکتروکاتالیستی آب بهتر بود. فعال‌سازی سطحی مواد دوبعدی دی اکسید منگنز به کمک آرایش گونه‌های فعال از طریق عمل آوری با پلاسما می‌تواند راهکار عملی برای اصلاح عملکرد الکتروکاتالیست‌های وافر در زمین جهت کاربردهای عملی فراهم کند.
۱. مقدمه
شکافت الکتروکاتالیستی آب روش نویدبخشی برای کاهش بحران انرژی تلقی شده است [ ۱، ۲]. هیدروژن را یک راهکار جایگزین سبز و پایدار برای سوخت‌های فسیلی قلمداد می‌کنند. در میان بسیاری از فناوری‌های تولید هیدروژن، شکافت آب روش موثری برای تولید هیدروژن با خلوص بالاست که شامل واکنش‌های تکامل هیدروژن (HER) و تکامل اکسیژن (OER) می‌شود. برای افزایش بازده تولید و صرفه‌جویی در مصرف انرژی به الکتروکاتالیست‌های کارآمد نیاز است تا بتوان به سینتیک واکنش‌های تکامل هیدروژن و تکامل اکسیژن سرعت بخشیده و پتانسیل اضافی آن را کاهش داد [4، 3]. در حال حاضر، از کاتالیست‌های اکسید بسیار پیشرفته و پربازده مبتنی بر Pt و Ir/Ru به ترتیب در واکنش‌های تکامل هیدروژن و تکامل اکسیژن استفاده می‌شود. با این حال، کمیابی و هزینه بالای این نوع کاتالیست های مبتنی بر فلزات نجیب باعث شده است که توسعه و بکارگیری مقیاس بندی شده آن‌ها به شدت محدود شود [۵]. بر همین اساس، این قضیه از اهمیت زیادی در اکتشاف الکتروکاتالیست‌های کم‌هزینه با بازدهی مطلوب واکنش‌های تکامل هیدروژن و تکامل اکسیژن برخوردار است.
Abstract
Developing high-efficiency, low-cost electrocatalysts for water splitting is important but challenging. Two-dimensional nanosheet manganese dioxide (MnO2) arrays are promising candidates for the design and development of advanced catalysts because of their large surface area. Here, a feasible solution to improve the catalytic activity of MnO2 materials via decorating the active sites on the surface is proposed. With the help of plasma engineering, we successfully enabled surface activity of the MnO2 nanosheets by decorating P or Fe species together with rich vacancies on the surface. The decorated P (P-MnO2) or Fe (Fe-MnO2) species were highly beneficial for the absorption of protons and OH− respectively, and rich oxygen vacancies induced the formation of stable Mn3+, which contributed to electron and charge transfer. Thus, increased electrochemically active specific areas, accelerated charge transfer, and a proper surface electronic structure could be achieved. On the basis of this activation strategy, the fabricated P-MnO2 and Fe-MnO2 showed excellent catalytic performance for the hydrogen evolution and oxygen evolution reactions. To our knowledge, the performance of P-MnO2 and Fe-MnO2 outperformed most MnO2-based electrocatalysts in the field of electrocatalytic water splitting. Surface activation of two-dimensional MnO2 materials by decorating active species via plasma treatment can provide a feasible route for modulating the performance of earth-abundant electrocatalysts for practical applications.
1. Introduction
Electrocatalytic water splitting has been considered as a promising method to ease the energy crisis [1,2]. Hydrogen is regarded as a green and sustainable alternative to fossil fuels. Among the many hydrogen production technologies, water splitting is an effective way to produce high-purity hydrogen, and it consists of the hydrogen evolution (HER) and the oxygen evolution reactions (OER). To increase the production efficiency and save energy, effective electrocatalysts are needed to accelerate the reaction kinetics of HER and OER and reduce the overpotential [3,4]. Currently, state-of-art high-efficiency Pt and Ir/Ru-based oxides catalysts are used for HER and OER, respectively. However, the scarcity and cost of these noble metal-based catalysts greatly limit their scaled development and application [5]. Consequently, it is of great significance to explore low-cost electrocatalysts with satisfactory HER and OER efficiencies.
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
چکیده
۱. مقدمه
۲. مواد و روش
2.1. شناساگرها
2.2. سنتز الکتروکاتالیست‌های P-MnO2 و Fe-MnO2
2.3. مشخصه‌یابی نمونه
2.4. اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی
۳. نتایج و بحث
۴. نتیجه‌گیری
منابع
Abstract
1. Introduction
2. Materials and method
2.1. Reagents
2.2. Synthesis of P-MnO2 and Fe-MnO 2 electrocatalysts
2.3. Sample characterization
2.4. Electrochemical measurements
3. Results and discussions
4. Conclusion
References
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه