【摘要】 通常，添加到碳纳米笼和碳纳米管中的过渡金属原子具有未占据的轨道，以吸收化学反应中重要的OER和ORR物质[17–20Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、Co-CNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、NiCNT(10, 0) 和 Ni- 的容量、能力和潜力通过理论模型对 AlPNT(10, 0) 用作 OER 和 ORR 催化剂进行了检验。

ORR 和 OER 是有机化学和工业中必不可少的反应。发现并提出用于 ORR 和 OER 反应的新型催化剂是工业工程师的主要关注点。价格合理、稳定性高、选择性好、灵敏度高、效率高且与环境相容的催化剂可用于ORR和OER反应。碳纳米笼和碳纳米管有足够的潜力在有机化学和工业的重要反应中用作催化剂，包括 OER 和 ORR。

 

用过渡金属取代碳纳米笼和碳纳米管的一些原子可以显着提高它们在有机化学和工业反应（例如OER和ORR）中的催化活性[14-16]。

 

通常，添加到碳纳米笼和碳纳米管中的过渡金属原子具有未占据的轨道，以吸收化学反应中重要的OER和ORR物质[17–20Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、Co-CNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、NiCNT(10, 0) 和 Ni- 的容量、能力和潜力通过理论模型对 AlPNT(10, 0) 用作 OER 和 ORR 催化剂进行了检验。

 

将使用过的催化剂的ORR和OER的吸附能、自由吉布斯吸附能、过电势和吉布斯自由能值与其他金属催化剂进行了比较。掺杂在纳米管和纳米笼上的Ni和Co原子是吸附ORR和OER物质并处理OER和ORR反应步骤的催化位置。

 

Co-GeNT(7, 0) 和 Ni-AlPNT(10, 0) 的过电势低于 Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54 和 Co–Ge54。最后，理论模型表明Co-GeNT(7, 0)和Ni-AlPNT(10, 0)作为催化剂具有可接受的稳定性、高吸附物质能力、较低的过电势和高性能。

图 1. Co和Ni掺杂的纳米笼和纳米管（Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、Co-CNT(7,0)、Co-GeNT(7,0)、Ni-CNT(10) )., 0) 和 Ni-AlPNT(10, 0))【1】。

 

形成能值 (Eformation) 作为指定 Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、Co-CNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、 Ni-CNT(10, 0)和Ni-AlPNT(10, 0)通过计算模型计算得到。优化后的Ni-C36、Ni-Al18P18、Co-C54、Co-Ge54、Co-CNT( 7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、Ni-CNT(10, 0) 和 Ni-AlPNT(10, 0) 如图 1 所示。

 

Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、CoCNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、Ni-CNT(10, 0) 和 Ni-AlPNT(10) 的催化活性, 0) 对于 ORR 和 OER 进行了研究。结果证实，从热力学角度来看，C36、Al18P18、C54、Ge54、CNT(7, 0)、GeNT(7, 0)、CNT(10, 0)和AlPNT(10, 0)是稳定的结构。

 

结果表明，Co-CNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、Ni-CNT(10, 0) 和 Ni-AlPNT(10, 0) 比 Ni-C36 具有更高的吸附物质的能力、Ni–Al18P18、Co–C54 和 Co–Ge54。 H2O 物理吸附在 Ni 和 Co 掺杂的纳米结构上。 H2O可以在常温下轻松地从Ni和Co掺杂的纳米结构中解吸。

 

结果证实，Ni-AlPNT(10, 0) 具有最低的 ηORR 和 ηOER。 Ni–C36、Ni–Al18P18、Co–C54、Co–Ge54、Co-CNT(7, 0)、Co-GeNT(7, 0)、Ni-CNT(10, 0) 和 Ni-AlPNT 的 ηORR( 10、0)分别为1.01、0.98、1.06、1.02、0.92、0.88、0.96和0.92V。

 

结果表明，Co和Ni掺杂纳米管比Co和Ni掺杂纳米笼具有更低的过电势。 AlP和Ge纳米结构比C纳米结构具有更低的过电势。 Co-GeNT(7, 0)和Ni-AlPNT(10, 0)被提议作为具有较低过电位和高性能的ORR和OER催化剂。

 

【1】Naranjo E, Abd Alreda B, Zaidi M, et al. Nanocages and nanotubes as catalysts for ORR and OER processes[J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2024, 187: 111856.

 

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