nature.com ஐப் பார்வையிட்டதற்கு நன்றி. நீங்கள் பயன்படுத்தும் உலாவி பதிப்பில் குறைந்த CSS ஆதரவு உள்ளது. சிறந்த அனுபவத்திற்கு, புதிய உலாவியைப் பயன்படுத்த பரிந்துரைக்கிறோம் (அல்லது Internet Explorer இல் இணக்கத்தன்மை பயன்முறையை முடக்குதல்). இதற்கிடையில், தொடர்ச்சியான ஆதரவை உறுதிசெய்ய, ஸ்டைல்கள் மற்றும் ஜாவாஸ்கிரிப்ட் இல்லாமல் தளத்தைக் காண்பிப்போம்.
CA எண்ணெயிலிருந்து (சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோலின் கலவை) அடிபிக் அமிலத்தின் (நைலான் 66 இன் முன்னோடி) மின்னாற்பகுப்பு என்பது கடுமையான நிலைமைகள் தேவைப்படும் பாரம்பரிய முறைகளை மாற்றக்கூடிய ஒரு நிலையான உத்தியாகும். இருப்பினும், குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் போட்டியிடும் ஆக்ஸிஜன் பரிணாம எதிர்வினைகள் அதன் தொழில்துறை பயன்பாடுகளை கணிசமாகக் கட்டுப்படுத்துகின்றன. இந்த வேலையில், மின்னோட்ட அடர்த்தியை அதிகரிக்கவும், பரந்த சாத்தியமான வரம்பில் (1.5–1.9 V vs. மீளக்கூடிய ஹைட்ரஜன் மின்முனை) அதிக ஃபாரடைக் செயல்திறனை (>80%) பராமரிக்கவும் நாங்கள் வெனடியத்துடன் நிக்கல் இரட்டை ஹைட்ராக்சைடை மாற்றியமைக்கிறோம். சோதனை மற்றும் தத்துவார்த்த ஆய்வுகள் V மாற்றத்தின் இரண்டு முக்கிய பாத்திரங்களை வெளிப்படுத்தின, இதில் துரிதப்படுத்தப்பட்ட வினையூக்கி புனரமைப்பு மற்றும் மேம்படுத்தப்பட்ட சைக்ளோஹெக்ஸனோன் உறிஞ்சுதல் ஆகியவை அடங்கும். கருத்தின் சான்றாக, தொழில்துறை ரீதியாக பொருத்தமான மின்னோட்ட அடர்த்தியில் (300 mA செ.மீ-2) நிலைத்தன்மையை அடையும் அதே வேளையில், அதிக ஃபாரடைக் செயல்திறன் (82%) மற்றும் உற்பத்தித்திறன் (1536 μmol செ.மீ-2 h-1) கொண்ட அடிபிக் அமிலத்தை உற்பத்தி செய்யும் ஒரு சவ்வு-மின்முனை அசெம்பிளியை நாங்கள் உருவாக்கினோம். இந்த வேலை அதிக உற்பத்தித்திறன் மற்றும் தொழில்துறை ஆற்றலுடன் அடிபிக் அமிலத்தின் மின்னாற்பகுப்புக்கான திறமையான வினையூக்கியை நிரூபிக்கிறது.
அடிபிக் அமிலம் (AA) மிக முக்கியமான அலிபாடிக் டைகார்பாக்சிலிக் அமிலங்களில் ஒன்றாகும், மேலும் இது முக்கியமாக நைலான் 66 மற்றும் பிற பாலிமைடுகள் அல்லது பாலிமர்களின் உற்பத்தியில் பயன்படுத்தப்படுகிறது. தொழில்துறை ரீதியாக, AA சைக்ளோஹெக்ஸனால் மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் (அதாவது, AA எண்ணெய்) கலவையை ஆக்ஸிஜனேற்ற முகவராக 50-60 vol% நைட்ரிக் அமிலத்தைப் பயன்படுத்தி ஆக்ஸிஜனேற்றுவதன் மூலம் ஒருங்கிணைக்கப்படுகிறது. இந்த செயல்முறை செறிவூட்டப்பட்ட நைட்ரிக் அமிலம் மற்றும் நைட்ரஜன் ஆக்சைடுகள் (N2O மற்றும் NOx) கிரீன்ஹவுஸ் வாயுக்களாக வெளியேற்றப்படுவது தொடர்பான சுற்றுச்சூழல் கவலைகளைக் கொண்டுள்ளது. H2O2 ஐ மாற்று பச்சை ஆக்ஸிஜனேற்ற முகவராகப் பயன்படுத்தலாம் என்றாலும், அதன் அதிக விலை மற்றும் கடுமையான தொகுப்பு நிலைமைகள் நடைமுறையில் பயன்படுத்துவதை கடினமாக்குகின்றன, மேலும் அதிக செலவு குறைந்த மற்றும் நிலையான முறை தேவைப்படுகிறது4,5,6.
கடந்த தசாப்தத்தில், புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலைப் பயன்படுத்துவதன் நன்மைகள் மற்றும் லேசான நிலைமைகளின் கீழ் (எ.கா., அறை வெப்பநிலை மற்றும் சுற்றுப்புற அழுத்தம்) செயல்படுவதன் நன்மைகள் காரணமாக மின் வினையூக்கி வேதியியல் மற்றும் எரிபொருள் தொகுப்பு முறைகள் விஞ்ஞானிகளிடமிருந்து அதிக கவனத்தை ஈர்த்துள்ளன. 7,8,9,10. இது சம்பந்தமாக, KA எண்ணெயை AA ஆக மின் வினையூக்கி மாற்றுவதன் வளர்ச்சி மேற்கூறிய நன்மைகளைப் பெறுவதற்கும், வழக்கமான உற்பத்தியில் காணப்படும் நைட்ரிக் அமிலம் மற்றும் நைட்ரஸ் ஆக்சைடு உமிழ்வுகளின் பயன்பாட்டை அகற்றுவதற்கும் மிகவும் முக்கியமானது (படம் 1a). நிக்கல் ஆக்ஸிஹைட்ராக்சைடில் (NiOOH) சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் (COR; சைக்ளோஹெக்ஸனோன் அல்லது சைக்ளோஹெக்ஸனோல் பொதுவாக KA எண்ணெயைக் குறிக்கும் என்று ஆய்வு செய்யப்பட்டுள்ளது) மின் வினையூக்கி ஆக்சிஜனேற்ற எதிர்வினையைப் புகாரளித்த பெட்ரோசியன் மற்றும் பலர் முன்னோடிப் பணிகளைச் செய்தனர், ஆனால் குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தி (6 mA cm-2) மற்றும் மிதமான AA மகசூல் (52%) பெறப்பட்டன11,12. அப்போதிருந்து, COR செயல்பாட்டை மேம்படுத்த நிக்கல் அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளின் வளர்ச்சியில் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் ஏற்பட்டுள்ளது. உதாரணமாக, சைக்ளோஹெக்சனோலில் Cα–Cβ பிளவுகளை ஊக்குவிக்க ஒரு செம்பு-டோப் செய்யப்பட்ட நிக்கல் ஹைட்ராக்சைடு (Cu-Ni(OH)2) வினையூக்கி ஒருங்கிணைக்கப்பட்டது. சைக்ளோஹெக்சனோனை வளப்படுத்தும் ஒரு ஹைட்ரோபோபிக் நுண்ணிய சூழலை உருவாக்க சோடியம் டோடெசில் சல்போனேட் (SDS) உடன் மாற்றியமைக்கப்பட்ட Ni(OH)2 வினையூக்கியை நாங்கள் சமீபத்தில் அறிக்கை செய்தோம்.
a KA எண்ணெயின் மின்னாற்பகுப்பு ஆக்சிஜனேற்றம் மூலம் AA உற்பத்தியின் சவால்கள். b முன்னர் அறிவிக்கப்பட்ட Ni- அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளின் மின்னாற்பகுப்பு COR மற்றும் மூன்று-மின்முனை அமைப்பு மற்றும் ஓட்ட பேட்டரி அமைப்பில் உள்ள எங்கள் வினையூக்கியின் ஒப்பீடு11,13,14,16,26. எதிர்வினை அளவுருக்கள் மற்றும் எதிர்வினை செயல்திறன் பற்றிய விரிவான தகவல்கள் துணை அட்டவணைகள் 1 மற்றும் 2 இல் வழங்கப்பட்டுள்ளன. c H-செல் உலை மற்றும் MEA இல் COR க்கான எங்கள் NiV-LDH-NS வினையூக்கிகளின் வினையூக்க செயல்திறன், அவை பரந்த சாத்தியமான வரம்பில் செயல்படுகின்றன.
மேலே உள்ள முறைகள் COR செயல்பாட்டை மேம்படுத்தினாலும், விவரிக்கப்பட்ட Ni- அடிப்படையிலான வினையூக்கிகள் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த ஆற்றல்களில் மட்டுமே அதிக AA ஃபாரடே செயல்திறனை (FE) (FE) (>80%) காட்டின, பொதுவாக மீளக்கூடிய ஹைட்ரஜன் மின்முனையுடன் (RHE, சுருக்கமாக VRHE) ஒப்பிடும்போது 1.6 V க்கும் குறைவாகவே இருந்தது. இதனால், AA இன் பகுதி மின்னோட்ட அடர்த்தி (அதாவது, FE ஆல் பெருக்கப்படும் மொத்த மின்னோட்ட அடர்த்தி) எப்போதும் 60 mA cm−2 க்குக் கீழே இருக்கும் (படம் 1b மற்றும் துணை அட்டவணை 1). குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தி தொழில்துறை தேவைகளை விட (>200 mA cm−2)15 மிகக் குறைவாக உள்ளது, இது உயர்-செயல்திறன் AA தொகுப்புக்கான மின்னாற்பகுப்பு தொழில்நுட்பத்தை கணிசமாகத் தடுக்கிறது (படம் 1a; மேல்). மின்னோட்ட அடர்த்தியை அதிகரிக்க, அதிக நேர்மறை ஆற்றல் (மூன்று-மின்முனை அமைப்புக்கு) அல்லது அதிக செல் மின்னழுத்தத்தை (இரண்டு-மின்முனை அமைப்புக்கு) பயன்படுத்தலாம், இது பல மின்னாற்பகுப்பு மாற்றங்களுக்கு, குறிப்பாக ஆக்ஸிஜன் பரிணாம எதிர்வினைக்கு (OER) ஒரு எளிய அணுகுமுறையாகும். இருப்பினும், அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில் COR க்கு, AA இன் FE ஐக் குறைப்பதில் OER ஒரு முக்கிய போட்டியாளராக மாறக்கூடும், இதன் மூலம் ஆற்றல் செயல்திறனைக் குறைக்கிறது (படம் 1a; கீழே). எடுத்துக்காட்டாக, முந்தைய முன்னேற்றத்தை மதிப்பாய்வு செய்தபோது (படம் 1b மற்றும் துணை அட்டவணை 1), SDS- மாற்றியமைக்கப்பட்ட Ni(OH)2 இல் AA இன் FE 93% இலிருந்து 76% ஆகக் குறைந்ததைக் கண்டு நாங்கள் ஏமாற்றமடைந்தோம், இது 1.5 VRHE இலிருந்து 1.7 VRHE14 ஆக அதிகரித்த பயன்பாட்டு ஆற்றலுடன், CuxNi1-x(OH)2/CF இல் AA இன் FE 93% இலிருந்து 69% ஆகக் குறைந்த திறனை 1.52 VRHE இலிருந்து 1.62 VRHE16 ஆக அதிகரித்தது. இதனால், AA இன் பகுதி மின்னோட்ட அடர்த்தி அதிக ஆற்றல்களில் விகிதாசாரமாக அதிகரிக்காது, இது AA செயல்திறனின் முன்னேற்றத்தை பெருமளவில் கட்டுப்படுத்துகிறது, AA இன் குறைந்த FE காரணமாக அதிக ஆற்றல் நுகர்வு பற்றி குறிப்பிட தேவையில்லை. நிக்கல் அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளுடன் கூடுதலாக, கோபால்ட் அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளும் COR17,18,19 இல் வினையூக்க செயல்பாட்டைக் காட்டியுள்ளன. இருப்பினும், அதிக ஆற்றல்களில் அவற்றின் செயல்திறன் குறைகிறது, மேலும் Ni- அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளுடன் ஒப்பிடுகையில், அவை தொழில்துறை பயன்பாடுகளில் அதிக சாத்தியமான வரம்புகளைக் கொண்டுள்ளன, அதாவது அதிக விலை ஏற்ற இறக்கங்கள் மற்றும் சிறிய சரக்குகள். எனவே, அதிக AA விளைச்சலை அடைவதை நடைமுறைப்படுத்த COR இல் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் FE உடன் Ni- அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளை உருவாக்குவது விரும்பத்தக்கது.
இந்த வேலையில், COR வழியாக AA உற்பத்திக்கான திறமையான மின்னாற்பகுப்பாளர்களாக வெனடியம்(V)-மாற்றியமைக்கப்பட்ட நிக்கல் அடுக்கு இரட்டை ஹைட்ராக்சைடு நானோஷீட்களை (NiV-LDH-NS) நாங்கள் புகாரளிக்கிறோம், அவை கணிசமாக அடக்கப்பட்ட OER உடன் பரந்த சாத்தியமான வரம்பில் செயல்படுகின்றன, H-செல்கள் மற்றும் சவ்வு மின்முனை கூட்டங்கள் இரண்டிலும் அதிக FE மற்றும் மின்னோட்ட அடர்த்தியை அடைகின்றன (MEAs; படம் 1 b). ஒரு பொதுவான Ni(OH)2 நானோஷீட் வினையூக்கியின் (Ni(OH)2-NS) மீதான அசிட்டிலீன் ஆக்சிஜனேற்ற செயல்திறன் எதிர்பார்த்தபடி, அதிக சாத்தியமான இடங்களில், 1.5 VRHE இல் 80% இலிருந்து 1.9 VRHE இல் 42% ஆகக் குறைகிறது என்பதை நாங்கள் முதலில் காட்டுகிறோம். இதற்கு நேர்மாறாக, Ni(OH)2 ஐ V உடன் மாற்றியமைத்த பிறகு, NiV-LDH-NS கொடுக்கப்பட்ட சாத்தியமான இடங்களில் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியைக் காட்டியது, மேலும் முக்கியமாக, பரந்த சாத்தியமான வரம்பில் அதிக FE ஐப் பராமரித்தது. உதாரணமாக, 1.9 VRHE இல், இது 170 mA cm−2 மின்னோட்ட அடர்த்தியையும் 83% FE ஐயும் காட்டியது, இது மூன்று-மின்முனை அமைப்பில் COR க்கு மிகவும் சாதகமான வினையூக்கியாகும் (படம் 1c மற்றும் துணை அட்டவணை 1). சோதனை மற்றும் தத்துவார்த்த தரவுகள், V மாற்றம் Ni(OH)2 இலிருந்து உயர்-வேலண்ட் Ni ஆக்ஸிஹைட்ராக்சைடுகளுக்கு (Ni3+xOOH1-x) குறைப்பு இயக்கவியலை ஊக்குவிக்கிறது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது COR க்கு செயலில் உள்ள கட்டமாக செயல்படுகிறது. மேலும், V மாற்றம் வினையூக்கி மேற்பரப்பில் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதலை மேம்படுத்தியது, இது அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில் OER ஐ அடக்குவதில் முக்கிய பங்கு வகித்தது. மிகவும் யதார்த்தமான சூழ்நிலையில் NiV-LDH-NS இன் திறனை நிரூபிக்க, நாங்கள் ஒரு MEA ஓட்ட உலையை வடிவமைத்து, தொழில்துறை ரீதியாக பொருத்தமான மின்னோட்ட அடர்த்தியில் (300 mA cm−2) AA இன் FE (82%) ஐக் காட்டினோம், இது ஒரு சவ்வு ஓட்ட உலை (படம் 1b மற்றும் துணை அட்டவணை 2) இல் எங்கள் முந்தைய முடிவுகளை விட கணிசமாக அதிகமாகும். AA (1536 μmol cm−2 h−1) இன் தொடர்புடைய மகசூல் வெப்ப வினையூக்க செயல்முறையைப் பயன்படுத்தி பெறப்பட்டதை விட அதிகமாக இருந்தது (<30 mmol gcatalyst−1 h−1)4. மேலும், MEA ஐப் பயன்படுத்தும் போது வினையூக்கி நல்ல நிலைத்தன்மையைக் காட்டியது, 200 mA cm−2 இல் 60 மணிநேரத்திற்கு FE >80% AA ஐயும் 300 mA cm−2 இல் 58 மணிநேரத்திற்கு FE >70% AA ஐயும் பராமரித்தது. இறுதியாக, ஒரு ஆரம்ப சாத்தியக்கூறு ஆய்வு (FEA) AA உற்பத்திக்கான மின் வினையூக்க உத்தியின் செலவு-செயல்திறனை நிரூபித்தது.
முந்தைய இலக்கியங்களின்படி, Ni(OH)2 என்பது COR-க்கு நல்ல செயல்பாட்டைக் காட்டும் ஒரு பொதுவான வினையூக்கியாகும், எனவே Ni(OH)2-NS13,14 முதன்முறையாக இணை-வரிவுபடுத்தல் முறை மூலம் ஒருங்கிணைக்கப்பட்டது. மாதிரிகள் β-Ni(OH)2 அமைப்பைக் காட்டின, இது எக்ஸ்-கதிர் மாறுபாடு (XRD; படம் 2a) மூலம் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது, மேலும் மிக மெல்லிய நானோதாள்கள் (தடிமன்: 2–3 nm, பக்கவாட்டு அளவு: 20–50 nm) உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட பரிமாற்ற எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (HRTEM; துணை படம் 1) மற்றும் அணுசக்தி நுண்ணோக்கி (AFM) அளவீடுகள் (துணை படம் 2) மூலம் காணப்பட்டன. அவற்றின் மிக மெல்லிய தன்மை காரணமாக நானோதாள்களின் திரட்டலும் காணப்பட்டது.
Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் எக்ஸ்-கதிர் விளிம்பு வடிவங்கள். வெவ்வேறு ஆற்றல்களில் b Ni(OH)2-NS மற்றும் c NiV-LDH-NS இல் FE, செயல்திறன் மற்றும் AA மின்னோட்ட அடர்த்தி. பிழைப் பட்டைகள் ஒரே வினையூக்கியைப் பயன்படுத்தி மூன்று சுயாதீன அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன. d NV-LDH-NS இன் HRTEM படம். அளவுகோல் பட்டை: 20 nm. NiV-LDH-NS இன் HAADF-STEM படம் மற்றும் Ni (பச்சை), V (மஞ்சள்) மற்றும் O (நீலம்) ஆகியவற்றின் பரவலைக் காட்டும் தொடர்புடைய தனிம வரைபடம். அளவுகோல் பட்டை: 100 nm. f Ni 2p3/2, g O 1 s, மற்றும் h V 2p3/2 Ni(OH)2-NS (மேல்) மற்றும் NiV-LDH-NS (கீழே) இன் XPS தரவு. i FE மற்றும் j ஆகியவை 7 சுழற்சிகளுக்கு மேல் இரண்டு வினையூக்கிகளில் AA செயல்திறன் ஆகும். பிழைப் பட்டைகள் ஒரே வினையூக்கியைப் பயன்படுத்தி மூன்று சுயாதீன அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன மற்றும் 10% க்குள் உள்ளன. a–c மற்றும் f–j க்கான மூல தரவு மூல தரவு கோப்புகளில் வழங்கப்பட்டுள்ளது.
பின்னர் COR இல் Ni(OH)2-NS இன் விளைவை நாங்கள் மதிப்பீடு செய்தோம். நிலையான ஆற்றல் மின்னாற்பகுப்பைப் பயன்படுத்தி, OER இல்லாமல் குறைந்த ஆற்றல் (1.5 VRHE) இல் AA இன் 80% FE ஐப் பெற்றோம் (படம் 2b), இது COR குறைந்த அனோடிக் ஆற்றல்களில் OER ஐ விட ஆற்றல் ரீதியாக மிகவும் சாதகமானது என்பதைக் குறிக்கிறது. முக்கிய துணை தயாரிப்பு 3% FE உடன் குளுடாரிக் அமிலம் (GA) என்று கண்டறியப்பட்டது. சுசினிக் அமிலம் (SA), மலோனிக் அமிலம் (MA) மற்றும் ஆக்ஸாலிக் அமிலம் (OA) ஆகியவற்றின் சுவடு அளவுகளும் HPLC ஆல் அளவிடப்பட்டன (தயாரிப்பு விநியோகத்திற்கான துணை படம் 3 ஐப் பார்க்கவும்). தயாரிப்பில் எந்த ஃபார்மிக் அமிலமும் கண்டறியப்படவில்லை, இது கார்பனேட் C1 துணை தயாரிப்பாக உருவாகலாம் என்று பரிந்துரைக்கிறது. இந்த கருதுகோளைச் சோதிக்க, 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் முழுமையான மின்னாற்பகுப்பிலிருந்து எலக்ட்ரோலைட் அமிலமயமாக்கப்பட்டது மற்றும் வாயு பொருட்கள் Ca(OH)2 கரைசல் வழியாக அனுப்பப்பட்டன. இதன் விளைவாக, கரைசல் கலங்கலாக மாறியது, மின்னாற்பகுப்புக்குப் பிறகு கார்பனேட் உருவாவதை உறுதிப்படுத்தியது. இருப்பினும், மின்னாற்பகுப்பு செயல்முறையின் போது உற்பத்தி செய்யப்படும் மொத்த மின்சாரம் குறைவாக இருப்பதால் (படம் 2b, c), கார்பனேட்டின் செறிவு குறைவாகவும் அளவிட கடினமாகவும் உள்ளது. கூடுதலாக, பிற C2-C5 தயாரிப்புகளும் உருவாகலாம், ஆனால் அவற்றின் அளவுகளை அளவிட முடியாது. மொத்த தயாரிப்புகளின் அளவை அளவிடுவது கடினம் என்றாலும், மொத்த மின்வேதியியல் சமமானவற்றில் 90% பெரும்பாலான மின்வேதியியல் செயல்முறைகள் அடையாளம் காணப்பட்டுள்ளன என்பதைக் குறிக்கிறது, இது நமது இயந்திர புரிதலுக்கு ஒரு அடிப்படையை வழங்குகிறது. குறைந்த மின்னோட்ட அடர்த்தி (20 mA cm−2) காரணமாக, AA இன் மகசூல் 97 μmol cm−2 h−1 (படம் 2b) ஆக இருந்தது, இது வினையூக்கியின் நிறை ஏற்றுதலை அடிப்படையாகக் கொண்ட 19 mmol h−1 g−1 க்கு சமம் (5 mg cm−2), இது வெப்ப வினையூக்க உற்பத்தித்திறனை விட குறைவாக உள்ளது (~30 mmol h−1 g−1)1. பயன்படுத்தப்பட்ட ஆற்றல் 1.5 இலிருந்து 1.9 VRHE ஆக அதிகரித்தபோது, ​​ஒட்டுமொத்த மின்னோட்ட அடர்த்தி அதிகரித்த போதிலும் (20 இலிருந்து 114 mA cm−2 ஆக), அதே நேரத்தில் AA FE இல் 80% இலிருந்து 42% ஆக குறிப்பிடத்தக்க குறைவு ஏற்பட்டது. அதிக நேர்மறை ஆற்றல்களில் FE இல் குறைவு முக்கியமாக OER க்கான போட்டியால் ஏற்படுகிறது. குறிப்பாக 1.7 VRHE இல், OER போட்டி AA FE இல் குறிப்பிடத்தக்க குறைவுக்கு வழிவகுக்கிறது, இதன் மூலம் ஒட்டுமொத்த மின்னோட்ட அடர்த்தி அதிகரிப்பதன் மூலம் AA செயல்திறனை சிறிது குறைக்கிறது. இதனால், AA இன் பகுதி மின்னோட்ட அடர்த்தி 16 இலிருந்து 48 mA cm−2 ஆக அதிகரித்தாலும், AA உற்பத்தித்திறன் அதிகரித்தாலும் (97 இலிருந்து 298 μmol cm−2 h−1 ஆக), அதிக அளவு கூடுதல் ஆற்றல் நுகரப்பட்டது (2.5 W h gAA−1 1.5 இலிருந்து 1.9 VRHE ஆக), இதன் விளைவாக 2.7 g CO2 gAA−1 கார்பன் வெளியேற்றத்தில் அதிகரிப்பு ஏற்பட்டது (கணக்கீடு விவரங்கள் துணை குறிப்பு 1 இல் கொடுக்கப்பட்டுள்ளன). அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில் COR எதிர்வினைக்கு போட்டியாளராக முன்னர் குறிப்பிடப்பட்ட OER, முந்தைய அறிக்கைகளுடன் ஒத்துப்போகிறது மற்றும் AA உற்பத்தித்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான பொதுவான சவாலைக் குறிக்கிறது14, 17.
மிகவும் திறமையான Ni(OH)2-NS-அடிப்படையிலான COR வினையூக்கியை உருவாக்க, முதலில் செயலில் உள்ள கட்டத்தை நாங்கள் பகுப்பாய்வு செய்தோம். எங்கள் இன் சிட்டு ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி முடிவுகளில் 473 செ.மீ-1 மற்றும் 553 செ.மீ-1 இல் உச்சங்களைக் கண்டோம் (துணை படம் 4), இது NiOOH இல் Ni3+-O பிணைப்புகளின் வளைவு மற்றும் நீட்சிக்கு ஒத்திருக்கிறது. NiOOH என்பது Ni(OH)2 குறைப்பு மற்றும் அனோடிக் ஆற்றல்களில் Ni(OH)O குவிப்பு ஆகியவற்றின் விளைவாகும் என்றும், இது அடிப்படையில் மின்னாற்பகுப்பு ஆக்சிஜனேற்றத்தில் செயலில் உள்ள கட்டமாகும் என்றும் ஆவணப்படுத்தப்பட்டுள்ளது. எனவே, Ni(OH)2 இன் கட்ட மறுகட்டமைப்பு செயல்முறையை NiOOH ஆக விரைவுபடுத்துவது COR இன் வினையூக்க செயல்பாட்டை மேம்படுத்தும் என்று நாங்கள் எதிர்பார்க்கிறோம்.
நிலைமாற்ற உலோக ஆக்சைடுகள்/ஹைட்ராக்சைடுகள்22,23,24 இல் ஹீட்டோரோஅட்டம் மாற்றம் கட்ட மறுகட்டமைப்பை ஊக்குவிக்கிறது என்பதைக் கண்டறிந்ததால், வெவ்வேறு உலோகங்களுடன் Ni(OH)2 ஐ மாற்றியமைக்க முயற்சித்தோம். மாதிரிகள் Ni மற்றும் இரண்டாவது உலோக முன்னோடியின் இணை-படிவு மூலம் ஒருங்கிணைக்கப்பட்டன. வெவ்வேறு உலோக-மாற்றியமைக்கப்பட்ட மாதிரிகளில், V-மாற்றியமைக்கப்பட்ட மாதிரி (V:Ni அணு விகிதம் 1:8) (NiV-LDH-NS என அழைக்கப்படுகிறது) COR இல் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியைக் காட்டியது (துணை படம் 5) மேலும் முக்கியமாக, பரந்த ஆற்றலுக்கான சாளரத்தில் அதிக AA FE. குறிப்பாக, குறைந்த ஆற்றலில் (1.5 VRHE), NiV-LDH-NS இன் மின்னோட்ட அடர்த்தி Ni(OH)2-NS ஐ விட 1.9 மடங்கு அதிகமாக இருந்தது (39 vs. 20 mA cm−2), மேலும் AA FE இரண்டு வினையூக்கிகளிலும் ஒப்பிடத்தக்கது (83% vs. 80%). அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் ஒத்த FE AA காரணமாக, NiV-LDH-NS இன் உற்பத்தித்திறன் Ni(OH)2-NS ஐ விட 2.1 மடங்கு அதிகமாக உள்ளது (204 vs. 97 μmol cm−2 h−1), இது குறைந்த ஆற்றல்களில் மின்னோட்ட அடர்த்தியில் V மாற்றத்தின் ஊக்குவிக்கும் விளைவை நிரூபிக்கிறது (படம் 2c).
பயன்பாட்டு ஆற்றல் அதிகரிப்புடன் (எ.கா., 1.9 VRHE), NiV-LDH-NS இல் மின்னோட்ட அடர்த்தி Ni(OH)2-NS (170 vs. 114 mA cm−2) ஐ விட 1.5 மடங்கு அதிகமாகும், மேலும் அதிகரிப்பு குறைந்த ஆற்றல்களில் (1.9 மடங்கு அதிகமாக) இருப்பதைப் போன்றது. குறிப்பிடத்தக்க வகையில், NiV-LDH-NS அதிக AA FE (83%) ஐத் தக்க வைத்துக் கொண்டது மற்றும் OER கணிசமாக அடக்கப்பட்டது (O2 FE 4%; படம் 2c), அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில் மிகக் குறைந்த AA FE உடன் Ni(OH)2-NS மற்றும் முன்னர் அறிவிக்கப்பட்ட வினையூக்கிகளை விட சிறப்பாக செயல்பட்டது (துணை அட்டவணை 1). பரந்த ஆற்றல் சாளரத்தில் (1.5–1.9 VRHE) AA இன் அதிக FE காரணமாக, 1.9 VRHE இல் 867 μmol cm−2 h−1 (174.3 mmol g−1 h−1 க்கு சமம்) AA உருவாக்க விகிதம் அடையப்பட்டது, இது NiV-LDH-NS மாதிரிகளின் மொத்த நிறை ஏற்றுதலால் செயல்பாடு இயல்பாக்கப்பட்டபோது மின்னாற்பகுப்பு மற்றும் வெப்பனாற்பகுப்பு அமைப்புகளில் கூட சாதகமான செயல்திறனைக் காட்டுகிறது (துணை படம் 6).
Ni(OH)2 ஐ V உடன் மாற்றியமைத்த பிறகு பரந்த சாத்தியமான வரம்பில் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் அதிக FE ஐப் புரிந்து கொள்ள, NiV-LDH-NS இன் கட்டமைப்பை நாங்கள் வகைப்படுத்தினோம். XRD முடிவுகள், V உடன் செய்யப்பட்ட மாற்றம் β-Ni(OH)2 இலிருந்து α-Ni(OH)2 க்கு ஒரு கட்ட மாற்றத்தை ஏற்படுத்தியது என்பதைக் காட்டியது, மேலும் V- தொடர்பான படிக இனங்கள் எதுவும் கண்டறியப்படவில்லை (படம் 2a). HRTEM முடிவுகள், NiV-LDH-NS அல்ட்ராதின் Ni(OH)2-NS நானோஷீட்களின் உருவ அமைப்பைப் பெறுகிறது மற்றும் ஒத்த பக்கவாட்டு பரிமாணங்களைக் கொண்டுள்ளது என்பதைக் காட்டுகிறது (படம் 2d). AFM அளவீடுகள் நானோஷீட்களின் வலுவான திரட்டல் போக்கை வெளிப்படுத்தின, இதன் விளைவாக தோராயமாக 7 nm (துணை படம் 7) அளவிடக்கூடிய தடிமன் ஏற்பட்டது, இது Ni(OH)2-NS (தடிமன்: 2–3 nm) ஐ விட பெரியது. ஆற்றல்-பரவக்கூடிய எக்ஸ்-ரே ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (EDS) மேப்பிங் பகுப்பாய்வு (படம் 2e) V மற்றும் Ni கூறுகள் நானோஷீட்களில் நன்கு விநியோகிக்கப்பட்டுள்ளன என்பதைக் காட்டியது. V இன் மின்னணு அமைப்பையும் Ni இல் அதன் விளைவையும் தெளிவுபடுத்த, நாங்கள் எக்ஸ்-ரே ஃபோட்டோ எலக்ட்ரான் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (XPS) ஐப் பயன்படுத்தினோம் (படம் 2f–h). Ni(OH)2-NS, Ni2+ இன் சிறப்பியல்பு சுழல்-சுற்றுப்பாதை சிகரங்களை வெளிப்படுத்தியது (பெண் உச்சம் 855.6 eV, செயற்கைக்கோள் உச்சம் 861.1 eV, படம் 2f)25. Ni(OH)2-NS இன் O 1s XPS நிறமாலையை மூன்று சிகரங்களாகப் பிரிக்கலாம், அவற்றில் 529.9, 530.9 மற்றும் 532.8 eV இல் உள்ள சிகரங்கள் முறையே லேட்டிஸ் ஆக்ஸிஜன் (OL), ஹைட்ராக்சில் குழு (Ni-OH) மற்றும் மேற்பரப்பு குறைபாடுகளில் (OAds) உறிஞ்சப்பட்ட ஆக்ஸிஜன் ஆகியவற்றால் வகைப்படுத்தப்படுகின்றன (படம் 2g)26,27,28,29. V உடன் மாற்றத்திற்குப் பிறகு, V 2p3/2 சிகரம் தோன்றியது, இது முறையே 517.1 eV (V5+), 516.6 eV (V4+) மற்றும் 515.8 eV (V3+) இல் அமைந்துள்ள மூன்று சிகரங்களாக சிதைக்கப்படலாம், இது கட்டமைப்பில் உள்ள V இனங்கள் முக்கியமாக அதிக ஆக்ஸிஜனேற்ற நிலைகளில் இருப்பதைக் குறிக்கிறது (படம் 2h)25,30,31. கூடுதலாக, NiV-LDH-NS இல் 855.4 eV இல் உள்ள Ni 2p சிகரம் Ni(OH)2-NS இல் உள்ளதை விட எதிர்மறையாக மாற்றப்பட்டது (சுமார் 0.2 eV ஆல்), இது எலக்ட்ரான்கள் V இலிருந்து Niக்கு மாற்றப்பட்டதைக் குறிக்கிறது. V மாற்றத்திற்குப் பிறகு காணப்பட்ட Ni இன் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த வேலன்ஸ் நிலை Ni K-எட்ஜ் எக்ஸ்-கதிர் உறிஞ்சுதலின் அருகிலுள்ள-எட்ஜ் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி (XANES) முடிவுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது (மேலும் விவரங்களுக்கு கீழே உள்ள “V மாற்றம் வினையூக்கி குறைப்பை ஊக்குவிக்கிறது” பகுதியைப் பார்க்கவும்). 1 மணிநேரத்திற்கு COR சிகிச்சைக்குப் பிறகு NiV-LDH-NS, NiV-LDH-POST என நியமிக்கப்பட்டது மற்றும் டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி, EDS மேப்பிங், எக்ஸ்-ரே டிஃப்ராஃப்ரக்ஷன், ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி மற்றும் XPS அளவீடுகளைப் பயன்படுத்தி முழுமையாக வகைப்படுத்தப்பட்டது (துணை படங்கள் 8 மற்றும் 9). வினையூக்கிகள் அல்ட்ராதின் நானோஷீட் உருவவியல் கொண்ட திரட்டுகளாகவே இருந்தன (துணை படங்கள் 8a–c). மாதிரிகளின் படிகத்தன்மை குறைந்தது மற்றும் V கசிவு மற்றும் வினையூக்கி மறுகட்டமைப்பு காரணமாக V உள்ளடக்கம் குறைந்தது (துணை படம் 8d–f). XPS நிறமாலை V உச்ச தீவிரத்தில் குறைவைக் காட்டியது (துணை படம் 9), இது V கசிவுக்குக் காரணம். கூடுதலாக, O 1s நிறமாலை பகுப்பாய்வு (துணை படம் 9d) மற்றும் எலக்ட்ரான் பாரா காந்த அதிர்வு (EPR) அளவீடுகள் (துணை படம் 10) 1 மணிநேர மின்னாற்பகுப்புக்குப் பிறகு NiV-LDH-NS இல் ஆக்ஸிஜன் காலியிடங்களின் அளவு அதிகரித்ததைக் காட்டியது, இது Ni 2p பிணைப்பு ஆற்றலில் எதிர்மறை மாற்றத்திற்கு வழிவகுக்கும் (மேலும் விவரங்களுக்கு துணை படம் 9 மற்றும் 10 ஐப் பார்க்கவும்) 26,27,32,33. இதனால், COR இன் 1 மணிநேரத்திற்குப் பிறகு NiV-LDH-NS சிறிய கட்டமைப்பு மாற்றத்தைக் காட்டியது.
COR ஐ ஊக்குவிப்பதில் V இன் முக்கிய பங்கை உறுதிப்படுத்த, 1:8 தவிர, வெவ்வேறு V:Ni அணு விகிதங்களுடன் (1:32, 1:16, மற்றும் 1:4, NiV-32, NiV-16, மற்றும் NiV-4 என குறிப்பிடப்படுகிறது) NiV-LDH வினையூக்கிகளை ஒரே இணை-மழைச்சீர்திருத்த முறையால் ஒருங்கிணைத்தோம். EDS மேப்பிங் முடிவுகள், வினையூக்கியில் உள்ள V:Ni அணு விகிதம் முன்னோடிக்கு அருகில் இருப்பதைக் காட்டுகிறது (துணை படம் 11a–e). V மாற்றத்தின் அதிகரிப்புடன், V 2p நிறமாலையின் தீவிரம் அதிகரிக்கிறது, மேலும் Ni 2p பகுதியின் பிணைப்பு ஆற்றல் தொடர்ந்து எதிர்மறை பக்கத்திற்கு மாறுகிறது (துணை படம் 12). அதே நேரத்தில், OL இன் விகிதம் படிப்படியாக அதிகரித்தது. வினையூக்க சோதனையின் முடிவுகள், குறைந்தபட்ச V மாற்றத்திற்குப் பிறகும் (V:Ni அணு விகிதம் 1:32) O2 FE 27% இலிருந்து 11% ஆகக் குறைவதால், V மாற்றத்திற்குப் பிறகு 1.8 VRHE இல் OER ஐ திறம்பட அடக்க முடியும் என்பதைக் காட்டுகிறது (துணை படம் 11f). V:Ni விகிதம் 1:32 இலிருந்து 1:8 ஆக அதிகரித்ததன் மூலம், வினையூக்க செயல்பாடு அதிகரித்தது. இருப்பினும், V மாற்றத்தின் மேலும் அதிகரிப்புடன் (V:Ni விகிதம் 1:4), மின்னோட்ட அடர்த்தி குறைகிறது, இது Ni செயலில் உள்ள தளங்களின் அடர்த்தி குறைவதால் ஏற்படுகிறது என்று நாங்கள் ஊகிக்கிறோம் (குறிப்பாக NiOOH செயலில் உள்ள கட்டம்; துணை படம் 11f). V மாற்றத்தின் ஊக்குவிப்பு விளைவு மற்றும் Ni செயலில் உள்ள தளங்களைப் பாதுகாத்தல் காரணமாக, 1:8 இன் V:Ni விகிதத்தைக் கொண்ட வினையூக்கி V:Ni விகிதத் திரையிடல் சோதனையில் மிக உயர்ந்த FE மற்றும் AA செயல்திறனைக் காட்டியது. மின்னாற்பகுப்புக்குப் பிறகு V:Ni விகிதம் மாறாமல் இருக்கிறதா என்பதை தெளிவுபடுத்துவதற்காக, பயன்படுத்தப்பட்ட வினையூக்கிகளின் கலவை வகைப்படுத்தப்பட்டது. 1:16 முதல் 1:4 வரையிலான ஆரம்ப V:Ni விகிதங்களைக் கொண்ட வினையூக்கிகளுக்கு, எதிர்வினைக்குப் பிறகு V:Ni விகிதம் சுமார் 1:22 ஆகக் குறைந்துள்ளது என்பதை முடிவுகள் காட்டுகின்றன, இது வினையூக்கி மறுசீரமைப்பு காரணமாக V கசிவு காரணமாக இருக்கலாம் (துணை படம் 13). ஆரம்ப V:Ni விகிதம் 1:16 க்கு சமமாகவோ அல்லது அதிகமாகவோ இருக்கும்போது ஒப்பிடக்கூடிய AA FEகள் காணப்பட்டன என்பதை நினைவில் கொள்ளவும் (துணை படம் 11f), இது வினையூக்கி மறுகட்டமைப்பால் விளக்கப்படலாம், இதன் விளைவாக வினையூக்கிகளில் ஒப்பிடக்கூடிய வினையூக்க செயல்திறனைக் காட்டும் ஒத்த V:Ni விகிதங்கள் உருவாகின்றன.
COR செயல்திறனை மேம்படுத்துவதில் V-மாற்றியமைக்கப்பட்ட Ni(OH)2 இன் முக்கியத்துவத்தை மேலும் உறுதிப்படுத்த, Ni(OH)2-NS பொருட்களில் V ஐ அறிமுகப்படுத்த இரண்டு செயற்கை முறைகளை நாங்கள் உருவாக்கினோம். ஒன்று கலவை முறை, மற்றும் மாதிரி NiV-MIX என குறிப்பிடப்படுகிறது; மற்றொன்று தொடர்ச்சியான தெளிப்பு முறை, மற்றும் மாதிரி NiV-SP என குறிப்பிடப்படுகிறது. தொகுப்பின் விவரங்கள் முறைகள் பிரிவில் வழங்கப்பட்டுள்ளன. SEM-EDS மேப்பிங் இரண்டு மாதிரிகளின் Ni(OH)2-NS மேற்பரப்பில் V வெற்றிகரமாக மாற்றியமைக்கப்பட்டதைக் காட்டியது (துணை படம் 14). மின்னாற்பகுப்பு முடிவுகள் 1.8 VRHE இல், NiV-MIX மற்றும் NiV-SP மின்முனைகளில் AA செயல்திறன் முறையே 78% மற்றும் 79% என்று காட்டுகின்றன, இரண்டும் Ni(OH)2-NS (51%) ஐ விட அதிக செயல்திறனைக் காட்டுகின்றன. மேலும், NiV-MIX மற்றும் NiV-SP மின்முனைகளில் உள்ள OER, Ni(OH)2-NS (FE O2: 27%) உடன் ஒப்பிடும்போது அடக்கப்பட்டது (முறையே FE O2: 7% மற்றும் 2%). இந்த முடிவுகள் Ni(OH)2 இல் V மாற்றத்தின் OER ஒடுக்கத்தின் நேர்மறையான விளைவை உறுதிப்படுத்துகின்றன (துணை படம் 14). இருப்பினும், வினையூக்கிகளின் நிலைத்தன்மை சமரசம் செய்யப்பட்டது, இது ஏழு COR சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு NiV-MIX இல் FE AA 45% ஆகவும் NiV-SP இல் 35% ஆகவும் குறைவதன் மூலம் பிரதிபலித்தது, இது V இனங்களை நிலைப்படுத்த பொருத்தமான முறைகளைப் பின்பற்ற வேண்டியதன் அவசியத்தைக் குறிக்கிறது, எடுத்துக்காட்டாக NiV-LDH-NS இல் Ni(OH)2 லேட்டிஸில் V மாற்றம், இது இந்த வேலையில் முக்கிய வினையூக்கியாகும்.
COR ஐ பல சுழற்சிகளுக்கு உட்படுத்துவதன் மூலம் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் நிலைத்தன்மையையும் நாங்கள் மதிப்பீடு செய்தோம். ஒவ்வொரு சுழற்சிக்கும் 1 மணிநேரம் எதிர்வினை மேற்கொள்ளப்பட்டது, மேலும் ஒவ்வொரு சுழற்சிக்குப் பிறகும் எலக்ட்ரோலைட் மாற்றப்பட்டது. 7வது சுழற்சிக்குப் பிறகு, Ni(OH)2-NS இல் FE மற்றும் AA செயல்திறன் முறையே 50% மற்றும் 60% குறைந்துள்ளது, அதே நேரத்தில் OER இல் அதிகரிப்பு காணப்பட்டது (படம் 2i, j). ஒவ்வொரு சுழற்சிக்குப் பிறகும், வினையூக்கிகளின் சுழற்சி வோல்டாமெட்ரி (CV) வளைவுகளை நாங்கள் பகுப்பாய்வு செய்தோம், மேலும் Ni2+ இன் ஆக்சிஜனேற்ற உச்சம் படிப்படியாகக் குறைவதைக் கவனித்தோம், இது Ni இன் ரெடாக்ஸ் திறனில் குறைவைக் குறிக்கிறது (துணை படம் 15a–c). மின்னாற்பகுப்பின் போது எலக்ட்ரோலைட்டில் Ni கேஷன் செறிவு அதிகரிப்புடன் (துணை படம் 15d), செயல்திறன் சிதைவு (FE மற்றும் AA உற்பத்தித்திறன் குறைதல்) வினையூக்கியிலிருந்து Ni கசிவுக்குக் காரணம் என்று நாங்கள் கூறுகிறோம், இதன் விளைவாக OER செயல்பாட்டை வெளிப்படுத்தும் Ni நுரைத்த அடி மூலக்கூறின் அதிக வெளிப்பாடு ஏற்படுகிறது. இதற்கு நேர்மாறாக, NiV-LDH-NS, FE மற்றும் AA உற்பத்தித்திறனில் ஏற்படும் சரிவை 10% ஆகக் குறைத்தது (படம் 2i, j), V மாற்றம் Ni கசிவை திறம்படத் தடுத்தது என்பதைக் குறிக்கிறது (துணை படம் 15d). V மாற்றத்தின் மேம்பட்ட நிலைத்தன்மையைப் புரிந்து கொள்ள, நாங்கள் தத்துவார்த்த கணக்கீடுகளைச் செய்தோம். முந்தைய இலக்கியம் 34,35 இன் படி, வினையூக்கியின் செயலில் உள்ள மேற்பரப்பில் உள்ள உலோக அணுக்களின் டிமெட்டலைசேஷன் செயல்முறையின் என்டல்பி மாற்றத்தை வினையூக்கி நிலைத்தன்மையை மதிப்பிடுவதற்கு ஒரு நியாயமான விளக்கமாகப் பயன்படுத்தலாம். எனவே, மறுகட்டமைக்கப்பட்ட Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS (முறையே NiOOH மற்றும் NiVOOH) ஆகியவற்றின் (100) மேற்பரப்பில் உள்ள Ni அணுக்களின் டிமெட்டலைசேஷன் செயல்முறையின் என்டல்பி மாற்றங்கள் மதிப்பிடப்பட்டன (மாதிரி கட்டுமானத்தின் விவரங்கள் துணை குறிப்பு 2 மற்றும் துணை படம் 16 இல் விவரிக்கப்பட்டுள்ளன). NiOOH மற்றும் NiVOOH இலிருந்து Ni இன் டிமெட்டலைசேஷன் செயல்முறை விளக்கப்பட்டுள்ளது (துணை படம் 17). NiVOOH (0.0325 eV) இல் Ni உலோக நீக்கத்தின் ஆற்றல் செலவு NiOOH (0.0005 eV) ஐ விட அதிகமாக உள்ளது, இது V மாற்றம் NiOOH இன் நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது.
NiV-LDH-NS இல் OER தடுப்பு விளைவை உறுதிப்படுத்த, குறிப்பாக அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில், வெவ்வேறு மாதிரிகளில் ஆற்றல் சார்ந்த O2 உருவாக்கத்தை ஆராய வேறுபட்ட மின்வேதியியல் நிறை நிறமாலை அளவியல் (DEMS) செய்யப்பட்டது. சைக்ளோஹெக்ஸனோன் இல்லாத நிலையில், NiV-LDH-NS இல் O2 1.53 VRHE இன் ஆரம்ப ஆற்றலில் தோன்றியது, இது Ni(OH)2-NS (1.62 VRHE) இல் O2 ஐ விட சற்று குறைவாக இருந்தது (துணை படம் 18). இந்த முடிவு, COR இன் போது NiV-LDH-NS இன் OER தடுப்பு அதன் உள்ளார்ந்த குறைந்த OER செயல்பாட்டின் காரணமாக இருக்கக்கூடாது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோன் இல்லாமல் Ni(OH)2-NS ஐ விட NiV-LDH-NS இல் நேரியல் ஸ்வீப் வோல்டாமெட்ரி (LSV) வளைவுகளில் சற்று அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியுடன் ஒத்துப்போகிறது (துணை படம் 19). சைக்ளோஹெக்ஸனோன் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட பிறகு, தாமதமான O2 பரிணாமம் (COR இன் வெப்ப இயக்கவியல் நன்மை காரணமாக இருக்கலாம்) குறைந்த ஆற்றல் பகுதியில் AA இன் உயர் FE ஐ விளக்குகிறது. மிக முக்கியமாக, NiV-LDH-NS (1.73 VRHE) இல் OER தொடக்க ஆற்றல் Ni(OH)2-NS (1.65 VRHE) ஐ விட மிகவும் தாமதமானது, இது அதிக நேர்மறை ஆற்றல்களில் NiV-LDH-NS இல் AA இன் உயர் FE மற்றும் குறைந்த FE O2 உடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் 2c).
V மாற்றத்தின் ஊக்க விளைவை மேலும் புரிந்துகொள்ள, Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS ஆகியவற்றின் Tafel சரிவுகளை அளவிடுவதன் மூலம் OER மற்றும் COR எதிர்வினை இயக்கவியலை பகுப்பாய்வு செய்தோம். Tafel பகுதியில் மின்னோட்ட அடர்த்தி LSV சோதனையின் போது Ni2+ ஐ Ni3+ ஆக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்வதன் காரணமாகும் என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. COR Tafel சாய்வு அளவீட்டில் Ni2+ ஆக்சிஜனேற்றத்தின் விளைவைக் குறைக்க, முதலில் வினையூக்கியை 1.8 VRHE இல் 10 நிமிடங்களுக்கு ஆக்ஸிஜனேற்றினோம், பின்னர் LSV சோதனைகளை தலைகீழ் ஸ்கேன் முறையில் செய்தோம், அதாவது, அதிக ஆற்றலில் இருந்து குறைந்த ஆற்றலுக்கு (துணை படம் 20). Tafel சாய்வைப் பெற அசல் LSV வளைவு 100% iR இழப்பீட்டால் சரி செய்யப்பட்டது. சைக்ளோஹெக்ஸனோன் இல்லாத நிலையில், NiV-LDH-NS (41.6 mV dec−1) இன் டாஃபெல் சாய்வு Ni(OH)2-NS (65.5 mV dec−1) ஐ விடக் குறைவாக இருந்தது, இது OER இயக்கவியலை V மாற்றத்தால் மேம்படுத்த முடியும் என்பதைக் குறிக்கிறது (துணை படம் 20c). சைக்ளோஹெக்ஸனோன் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட பிறகு, NiV-LDH-NS (37.3 mV dec−1) இன் டாஃபெல் சாய்வு Ni(OH)2-NS (127.4 mV dec−1) ஐ விடக் குறைவாக இருந்தது, இது V மாற்றம் OER உடன் ஒப்பிடும்போது COR இல் மிகவும் வெளிப்படையான இயக்க விளைவைக் கொண்டிருந்தது என்பதைக் குறிக்கிறது (துணை படம் 20d). V மாற்றம் ஓரளவிற்கு OER ஐ ஊக்குவித்தாலும், அது COR இயக்கவியலை கணிசமாக துரிதப்படுத்துகிறது, இதன் விளைவாக AA இன் FE அதிகரிக்கிறது என்பதை இந்த முடிவுகள் தெரிவிக்கின்றன.
மேலே உள்ள V மாற்றத்தின் FE மற்றும் AA இன் செயல்திறனில் ஏற்படும் ஊக்க விளைவைப் புரிந்து கொள்ள, நாங்கள் பொறிமுறை ஆய்வில் கவனம் செலுத்தினோம். சில முந்தைய அறிக்கைகள், ஹீட்டோரோஅட்டம் மாற்றம் வினையூக்கிகளின் படிகத்தன்மையைக் குறைத்து மின்வேதியியல் ரீதியாக செயல்படும் மேற்பரப்புப் பகுதியை (EAS) அதிகரிக்கும், இதன் மூலம் செயலில் உள்ள தளங்களின் எண்ணிக்கையை அதிகரிக்கும், இதனால் வினையூக்க செயல்பாட்டை மேம்படுத்தும் என்பதைக் காட்டுகின்றன. இந்த சாத்தியத்தை ஆராய, மின்வேதியியல் செயல்படுத்தலுக்கு முன்னும் பின்னும் ECSA அளவீடுகளை நாங்கள் மேற்கொண்டோம், மேலும் முடிவுகள் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் ECSA ஒப்பிடத்தக்கவை என்பதைக் காட்டியது (துணை படம் 21), வினையூக்க மேம்பாட்டில் V மாற்றத்திற்குப் பிறகு செயலில் உள்ள தள அடர்த்தியின் செல்வாக்கைத் தவிர்த்து.
பொதுவாக ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட அறிவின்படி, ஆல்கஹால்கள் அல்லது பிற நியூக்ளியோபிலிக் அடி மூலக்கூறுகளின் Ni(OH)2-வினையூக்கிய மின்ஆக்ஸிஜனேற்றத்தில், Ni(OH)2 முதலில் எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் புரோட்டான்களை இழந்து, பின்னர் ஒரு குறிப்பிட்ட அனோடிக் ஆற்றலில் மின்வேதியியல் படிகள் மூலம் NiOOH ஆகக் குறைக்கப்படுகிறது38,39,40,41. உருவாக்கப்பட்ட NiOOH பின்னர் வேதியியல் படிகள் மூலம் நியூக்ளியோபிலிக் அடி மூலக்கூறிலிருந்து ஹைட்ரஜன் மற்றும் எலக்ட்ரான்களை பிரித்தெடுக்க ஒரு உண்மையான செயலில் உள்ள COR இனமாக செயல்படுகிறது. ஆக்ஸிஜனேற்றப்பட்ட பொருளை உருவாக்குகிறது20,41. இருப்பினும், NiOOH ஆகக் குறைப்பு Ni(OH)2 இல் ஆல்கஹால் எலக்ட்ரோஆக்ஸிஜனேற்றத்திற்கான விகிதத்தை நிர்ணயிக்கும் படியாக (RDS) செயல்படக்கூடும் என்று சமீபத்தில் தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது, சமீபத்திய இலக்கியத்தில் பரிந்துரைக்கப்பட்டுள்ளபடி, Ni3+ ஆல்கஹால்களின் ஆக்சிஜனேற்றம் Ni3+41,42 இன் ஆக்கிரமிக்கப்படாத சுற்றுப்பாதைகள் மூலம் ரெடாக்ஸ் அல்லாத எலக்ட்ரான் பரிமாற்றம் மூலம் தன்னிச்சையான செயல்முறையாக இருக்கலாம். அதே இலக்கியத்தில் தெரிவிக்கப்பட்ட இயந்திரவியல் ஆய்வால் ஈர்க்கப்பட்டு, COR இன் போது Ni3+ குறைப்பால் ஏற்படும் எந்த Ni2+ உருவாக்கத்தையும் இடத்திலேயே பிடிக்க டைமெதில்கிளையாக்சைம் டைசோடியம் உப்பு ஆக்டாஹைட்ரேட்டை (C4H6N2Na2O2 8H2O) ஒரு ஆய்வு மூலக்கூறாகப் பயன்படுத்தினோம் (துணை படம் 22 மற்றும் துணை குறிப்பு 3). முடிவுகள் Ni2+ உருவாவதைக் காட்டின, இது NiOOH இன் வேதியியல் குறைப்பு மற்றும் Ni(OH)2 இன் எலக்ட்ரோஆக்ஸிஜனேற்றம் COR செயல்முறையின் போது ஒரே நேரத்தில் நிகழ்ந்தது என்பதை உறுதிப்படுத்துகிறது. எனவே, வினையூக்க செயல்பாடு Ni(OH)2 ஐ NiOOH ஆகக் குறைப்பதன் இயக்கவியலைப் பொறுத்தது. இந்தக் கொள்கையின் அடிப்படையில், V இன் மாற்றம் Ni(OH)2 இன் குறைப்பை துரிதப்படுத்தி COR ஐ மேம்படுத்துமா என்பதை நாங்கள் அடுத்து ஆராய்ந்தோம்.
மேலே குறிப்பிடப்பட்ட "மின்வேதியியல்-வேதியியல்" செயல்முறையைத் தொடர்ந்து, நேர்மறை ஆற்றல்களில் NiOOH உருவாவதையும், சைக்ளோஹெக்ஸனோன் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட பிறகு அதன் அடுத்தடுத்த நுகர்வுகளையும் கவனிப்பதன் மூலம், Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் COR க்கான செயலில் உள்ள கட்டம் NiOOH என்பதை நிரூபிக்க, நாங்கள் முதலில் இன் சிட்டு ராமன் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தினோம் (படம் 3a). மேலும், மறுகட்டமைக்கப்பட்ட NiV-LDH-NS இன் வினைத்திறன் Ni(OH)2-NS ஐ விட அதிகமாக இருந்தது, இது Ni3+–O ராமன் சமிக்ஞையின் விரைவான மறைவால் நிரூபிக்கப்பட்டது. பின்னர் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் இருப்பு அல்லது இல்லாமையின் போது Ni(OH)2-NS உடன் ஒப்பிடும்போது NiV-LDH-NS NiOOH உருவாவதற்கு குறைவான நேர்மறை ஆற்றலைக் காட்டியது என்பதைக் காட்டினோம் (படம் 3b, c மற்றும் துணை படம் 4c, d). குறிப்பிடத்தக்க வகையில், NiV-LDH-NS இன் உயர்ந்த OER செயல்திறன் ராமன் அளவீட்டு நோக்கத்தின் முன் லென்ஸில் அதிக குமிழ்கள் ஒட்டிக்கொள்கின்றன, இது 1.55 VRHE இல் ராமன் உச்சத்தை மறையச் செய்கிறது (துணை படம் 4d). DEMS முடிவுகளின்படி (துணை படம் 18), குறைந்த ஆற்றல்களில் மின்னோட்ட அடர்த்தி (Ni(OH)2-NS க்கு VRHE < 1.58 மற்றும் NiV-LDH-NS க்கு VRHE < 1.53) முக்கியமாக சைக்ளோஹெக்ஸனோன் இல்லாத நிலையில் OER ஐ விட Ni2+ அயனிகளின் மறுகட்டமைப்பு காரணமாகும். இதனால், LSV வளைவில் Ni2+ இன் ஆக்சிஜனேற்ற உச்சநிலை NiV-LDH-NS ஐ விட வலுவானது, இது V மாற்றம் NiV-LDH-NS ஐ மேம்படுத்தப்பட்ட மறுவடிவமைப்பு திறனுடன் வழங்குகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது (விரிவான பகுப்பாய்விற்கு துணை படம் 19 ஐப் பார்க்கவும்).
a 0.5 M KOH இல் 1.5 VRHE மற்றும் 60 s க்கு 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் முன் ஆக்ஸிஜனேற்றத்திற்குப் பிறகு OCP நிலைமைகளின் கீழ் Ni(OH)2-NS (இடது) மற்றும் NiV-LDH-NS (வலது) இன் சிட்டு ராமன் நிறமாலை. b Ni(OH)2-NS மற்றும் c இன் சிட்டு ராமன் நிறமாலை 0.5 M KOH + 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் வெவ்வேறு ஆற்றல்களில் NiV-LDH-NS. d 0.5 M KOH இல் Ni K-விளிம்பில் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் சிட்டு XANES நிறமாலை மற்றும் e 0.5 M KOH மற்றும் 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோன். செருகல் 8342 மற்றும் 8446 eV க்கு இடையில் ஒரு பெரிதாக்கப்பட்ட நிறமாலை பகுதியைக் காட்டுகிறது. f Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலைகள் வெவ்வேறு ஆற்றல்களில். g வெவ்வேறு ஆற்றல்களில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் செருகலுக்கு முன்னும் பின்னும் NiV-LDH-NS இன் சிட்டு Ni EXAFS நிறமாலை. h Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் தத்துவார்த்த மாதிரிகள். மேலே: Ni(OH)2-NS இல், Ni(OH)2-NS இலிருந்து NiOOH க்கு மெதுவாக மறுவடிவமைப்பு செய்வது RDS ஆக செயல்படுகிறது, அதே நேரத்தில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் AA ஐ உருவாக்க குறைந்த-வேலண்ட் Ni நிலையை பராமரிக்க வேதியியல் படிகள் மூலம் உயர்-வேலண்ட் Ni இனங்களைக் குறைக்கிறது. கீழே: NiV-LDH-NS இல், மறுவடிவமைப்பு படி V மாற்றத்தால் எளிதாக்கப்படுகிறது, இதன் விளைவாக RDS மறுவடிவமைப்பு படியிலிருந்து வேதியியல் படிக்கு மாற்றப்படுகிறது. i Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் மறுகட்டமைப்பின் போது கிப்ஸ் இலவச ஆற்றல் மாறுகிறது. aj மற்றும் i க்கான மூல தரவு மூல தரவு கோப்பில் வழங்கப்பட்டுள்ளது.
வினையூக்கி குறைப்பின் போது அணு மற்றும் மின்னணு கட்டமைப்புகளின் பரிணாம வளர்ச்சியை ஆராய, நாங்கள் சிட்டு எக்ஸ்-கதிர் உறிஞ்சுதல் நிறமாலை (XAS) சோதனைகளை மேற்கொண்டோம், இது Ni இனங்களின் இயக்கவியலை மூன்று தொடர்ச்சியான படிகளில் ஆய்வு செய்ய ஒரு சக்திவாய்ந்த கருவியை வழங்கியது: OER, சைக்ளோஹெக்ஸனோன் ஊசி மற்றும் திறந்த சுற்று ஆற்றலில் (OCP) COR. சைக்ளோஹெக்ஸனோன் ஊசிக்கு முன்னும் பின்னும் அதிகரிக்கும் ஆற்றலுடன் Ni இன் K-எட்ஜ் XANES நிறமாலையை படம் காட்டுகிறது (படம் 3d, e). அதே ஆற்றலில், NiV-LDH-NS இன் உறிஞ்சுதல் விளிம்பு ஆற்றல் Ni(OH)2-NS ஐ விட கணிசமாக அதிக நேர்மறையாக உள்ளது (படம் 3d, e, செருகப்பட்டது). ஒவ்வொரு நிபந்தனையின் கீழும் Ni இன் சராசரி வேலன்ஸ் XANES நிறமாலையின் நேரியல் ஒருங்கிணைந்த பொருத்தம் மற்றும் Ni K-எட்ஜ் உறிஞ்சுதல் ஆற்றல் மாற்றத்தின் பின்னடைவு (படம் 3f) மூலம் மதிப்பிடப்பட்டது, வெளியிடப்பட்ட இலக்கியத்திலிருந்து எடுக்கப்பட்ட குறிப்பு நிறமாலை (துணை படம் 23)43.
முதல் படியில் (OER செயல்முறைக்கு ஏற்ப சைக்ளோஹெக்ஸனோனை அறிமுகப்படுத்துவதற்கு முன்; படம் 3f, இடது), மறுகட்டமைக்கப்படாத வினையூக்கியின் ஆற்றலில் (<1.3 VRHE), NiV-LDH-NS (+1.83) இல் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலை Ni(OH)2-NS (+1.97) ஐ விட சற்று குறைவாக உள்ளது, இது V இலிருந்து Ni க்கு எலக்ட்ரான் பரிமாற்றத்திற்குக் காரணமாக இருக்கலாம், இது மேலே குறிப்பிடப்பட்ட XPS முடிவுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் 2f). ஆற்றல் குறைப்பு புள்ளியை (1.5 VRHE) மீறும் போது, ​​NiV-LDH-NS (+3.28) இல் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலை Ni(OH)2-NS (+2.49) உடன் ஒப்பிடும்போது மிகவும் வெளிப்படையான அதிகரிப்பைக் காட்டுகிறது. அதிக ஆற்றலில் (1.8 VRHE), NiV-LDH-NS (+3.64) இல் பெறப்பட்ட Ni துகள்களின் வேலன்ஸ் நிலை Ni(OH)2-NS (+3.47) ஐ விட அதிகமாக உள்ளது. சமீபத்திய அறிக்கைகளின்படி, இந்த செயல்முறை Ni3+xOOH1-x (Ni3+x என்பது Ni3+ மற்றும் Ni4+ இன் கலப்பு இனம்) கட்டமைப்பில் உயர்-வேலண்ட் Ni4+ இனங்கள் உருவாவதற்கு ஒத்திருக்கிறது, இது முன்னர் ஆல்கஹால் டீஹைட்ரஜனேற்றத்தில் மேம்பட்ட வினையூக்க செயல்பாட்டைக் காட்டியது38,39,44. எனவே, COR இல் NiV-LDH-NS இன் உயர்ந்த செயல்திறன், வினையூக்க ரீதியாக செயல்படும் உயர்-வேலண்ட் Ni இனங்களை உருவாக்குவதற்கான மேம்படுத்தப்பட்ட குறைப்புத்தன்மை காரணமாக இருக்கலாம்.
இரண்டாவது படியில் (வளையம் திறந்த பிறகு சைக்ளோஹெக்ஸனோனை அறிமுகப்படுத்துதல், படம் 3f), இரண்டு வினையூக்கிகளிலும் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலை கணிசமாகக் குறைந்தது, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோனால் Ni3+xOOH1-x இன் குறைப்பு செயல்முறைக்கு ஒத்திருக்கிறது, இது இன் சிட்டு ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியின் முடிவுகளுடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் 3a), மேலும் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலை கிட்டத்தட்ட ஆரம்ப நிலைக்கு (குறைந்த ஆற்றலில் முதல் படி) மீண்டது, இது Ni இன் ரெடாக்ஸ் செயல்முறையின் Ni3+xOOH1-x இன் மீள்தன்மையைக் குறிக்கிறது.
மூன்றாவது படியில் (COR செயல்முறை) COR ஆற்றல்களில் (1.5 மற்றும் 1.8 VRHE; படம் 3f, வலதுபுறம்), Ni(OH)2-NS இல் Ni இன் வேலன்ஸ் நிலை சற்று மட்டுமே அதிகரித்தது (+2.16 மற்றும் +2.40), இது முதல் படியில் (+2.49 மற்றும் +3.47) அதே ஆற்றலில் இருந்ததை விட கணிசமாகக் குறைவு. இந்த முடிவுகள், சைக்ளோஹெக்ஸனோன் ஊசிக்குப் பிறகு, Ni(OH)2-NS இல் NiOOH மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோனுக்கு இடையிலான வேதியியல் படியால் அல்லாமல், Ni2+ ஐ Ni3+x ஆக மெதுவாக ஆக்சிஜனேற்றம் செய்வதன் மூலம் COR இயக்கவியல் ரீதியாக வரையறுக்கப்படுகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது Ni ஐ குறைந்த வேலன்ஸ் நிலையில் விட்டுவிடுகிறது. எனவே, Ni(OH)2-NS இல் COR செயல்பாட்டில் Ni புனரமைப்பு RDS ஆக செயல்பட முடியும் என்று நாங்கள் முடிவு செய்கிறோம். இதற்கு நேர்மாறாக, COR செயல்முறையின் போது NiV-LDH-NS ஒப்பீட்டளவில் அதிக Ni இனங்களின் (>3) வேலன்ஸ் பராமரித்தது, மேலும் அதே ஆற்றலில் (1.65 மற்றும் 1.8 VRHE) முதல் படியுடன் ஒப்பிடும்போது வேலன்ஸ் மிகக் குறைவாக (0.2 க்கும் குறைவாக) குறைந்தது, இது V மாற்றம் இயக்கவியல் ரீதியாக Ni2+ இன் ஆக்சிஜனேற்றத்தை Ni3+x ஆக ஊக்குவித்தது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது Ni குறைப்பு செயல்முறையை சைக்ளோஹெக்ஸனோன் குறைப்பின் வேதியியல் படியை விட வேகமாக ஆக்கியது. நீட்டிக்கப்பட்ட எக்ஸ்-கதிர் உறிஞ்சுதல் நுண் அமைப்பு (EXAFS) முடிவுகள் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் முன்னிலையில் Ni–O (1.6 முதல் 1.4 Å வரை) மற்றும் Ni–Ni(V) (2.8 முதல் 2.4 Å வரை) பிணைப்புகளின் முழுமையான மாற்றத்தையும் வெளிப்படுத்தின. இது Ni(OH)2 கட்டத்தை NiOOH கட்டத்திற்கு மறுகட்டமைத்தல் மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மூலம் NiOOH கட்டத்தின் வேதியியல் குறைப்பு ஆகியவற்றுடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் 3g). இருப்பினும், சைக்ளோஹெக்சனோன் Ni(OH)2-NS இன் குறைப்பு இயக்கவியலை கணிசமாகத் தடுத்தது (மேலும் விவரங்களுக்கு துணை குறிப்பு 4 மற்றும் துணை படம் 24 ஐப் பார்க்கவும்).
ஒட்டுமொத்தமாக, Ni(OH)2-NS இல் (படம் 3h, மேல்), Ni(OH)2 கட்டத்திலிருந்து NiOOH கட்டத்திற்கு மெதுவான குறைப்பு படி, NiOOH இன் வேதியியல் குறைப்பின் போது சைக்ளோஹெக்ஸனோனிலிருந்து AA உருவாக்கத்தின் வேதியியல் படிநிலையை விட ஒட்டுமொத்த COR செயல்முறையின் RDS ஆக செயல்படக்கூடும். NiV-LDH-NS இல் (படம் 3h, கீழ்), V மாற்றம் Ni2+ இன் ஆக்சிஜனேற்ற இயக்கவியலை Ni3+x ஆக மேம்படுத்துகிறது, இதன் மூலம் NiVOOH உருவாவதை துரிதப்படுத்துகிறது (வேதியியல் குறைப்பு மூலம் நுகர்வுக்கு பதிலாக), இது RDS ஐ வேதியியல் படிநிலையை நோக்கி மாற்றுகிறது. V மாற்றத்தால் தூண்டப்பட்ட Ni மறுகட்டமைப்பைப் புரிந்து கொள்ள, மேலும் தத்துவார்த்த கணக்கீடுகளைச் செய்தோம். படம் 3h இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் மறுகட்டமைப்பு செயல்முறையை நாங்கள் உருவகப்படுத்தினோம். Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் உள்ள லேட்டிஸ் ஹைட்ராக்சில் குழுக்கள் எலக்ட்ரோலைட்டில் OH- ஐ பிரித்தெடுப்பதன் மூலம் எலக்ட்ரான் குறைபாடுள்ள லேட்டிஸ் ஆக்ஸிஜனை உருவாக்குவதன் மூலம் புரோட்டான் நீக்கப்படுகின்றன. தொடர்புடைய வேதியியல் எதிர்வினைகள் பின்வருமாறு:
மறுகட்டமைப்பின் கிப்ஸ் கட்டற்ற ஆற்றல் மாற்றம் கணக்கிடப்பட்டது (படம் 3i), மேலும் NiV-LDH-NS (0.81 eV) Ni(OH)2-NS (1.66 eV) ஐ விட மிகச் சிறிய கிப்ஸ் கட்டற்ற ஆற்றல் மாற்றத்தைக் காட்டியது, இது V மாற்றம் Ni மறுகட்டமைப்பிற்குத் தேவையான மின்னழுத்தத்தைக் குறைத்தது என்பதைக் குறிக்கிறது. மறுகட்டமைப்பை ஊக்குவிப்பது முழு COR இன் ஆற்றல் தடையைக் குறைக்கலாம் என்று நாங்கள் நம்புகிறோம் (விவரங்களுக்கு கீழே உள்ள எதிர்வினை பொறிமுறை ஆய்வைப் பார்க்கவும்), இதன் மூலம் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் எதிர்வினையை துரிதப்படுத்துகிறது.
மேலே உள்ள பகுப்பாய்வு, V மாற்றம் Ni(OH)2 இன் விரைவான கட்ட மறுசீரமைப்பை ஏற்படுத்துகிறது, இதன் மூலம் வினை வீதத்தையும், COR மின்னோட்ட அடர்த்தியையும் அதிகரிக்கிறது என்பதைக் காட்டுகிறது. இருப்பினும், Ni3+x தளங்களும் OER செயல்பாட்டை ஊக்குவிக்க முடியும். சைக்ளோஹெக்ஸனோன் இல்லாத LSV வளைவிலிருந்து, NiV-LDH-NS இன் மின்னோட்ட அடர்த்தி Ni(OH)2-NS ஐ விட அதிகமாக உள்ளது என்பது தெளிவாகிறது (துணை படம் 19), இது COR மற்றும் OER எதிர்வினைகள் போட்டி எதிர்வினைகளை உருவாக்க காரணமாகிறது. எனவே, NiV-LDH-NS ஐ விட AA இன் கணிசமாக உயர்ந்த FE ஐ கட்ட மறுசீரமைப்பை ஊக்குவிக்கும் V மாற்றத்தால் முழுமையாக விளக்க முடியாது.
கார ஊடகங்களில், நியூக்ளியோபிலிக் அடி மூலக்கூறுகளின் எலக்ட்ரோஆக்ஸிஜனேற்ற எதிர்வினைகள் பொதுவாக லாங்முயர்–ஹின்ஷெல்வுட் (LH) மாதிரியைப் பின்பற்றுகின்றன என்பது பொதுவாக ஏற்றுக்கொள்ளப்படுகிறது. குறிப்பாக, அடி மூலக்கூறு மற்றும் OH− அனான்கள் வினையூக்கி மேற்பரப்பில் போட்டித்தன்மையுடன் இணைக்கப்படுகின்றன, மேலும் உறிஞ்சப்பட்ட OH− செயலில் உள்ள ஹைட்ராக்சைல் குழுக்களுக்கு (OH*) ஆக்ஸிஜனேற்றப்படுகிறது, இது நியூக்ளியோபிலிக் ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கான எலக்ட்ரோஃபில்களாக செயல்படுகிறது, இது முன்னர் சோதனை தரவு மற்றும்/அல்லது தத்துவார்த்த கணக்கீடுகள் மூலம் நிரூபிக்கப்பட்ட ஒரு வழிமுறையாகும். எனவே, வினைபடுபொருட்களின் செறிவு மற்றும் அவற்றின் விகிதம் (கரிம அடி மூலக்கூறு மற்றும் OH−) வினைபடு மேற்பரப்பின் வினைபடு கவரேஜைக் கட்டுப்படுத்தலாம், இதன் மூலம் FE மற்றும் இலக்கு உற்பத்தியின் விளைச்சலைப் பாதிக்கிறது. எங்கள் விஷயத்தில், NiV-LDH-NS இல் அதிக சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மேற்பரப்பு கவரேஜ் COR செயல்முறையை ஆதரிக்கிறது என்றும், மாறாக, Ni(OH)2-NS இல் குறைந்த சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மேற்பரப்பு கவரேஜ் OER செயல்முறையை ஆதரிக்கிறது என்றும் நாங்கள் கருதுகிறோம்.
மேற்கண்ட கருதுகோளைச் சோதிக்க, முதலில் வினைபடுபொருட்களின் (C, சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மற்றும் COH−) செறிவு தொடர்பான இரண்டு தொடர் சோதனைகளை மேற்கொண்டோம். முதல் பரிசோதனையானது, வெவ்வேறு சைக்ளோஹெக்ஸனோன் C உள்ளடக்கங்கள் (0.05 ~ 0.45 M) மற்றும் நிலையான COH− உள்ளடக்கம் (0.5 M) கொண்ட Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS வினையூக்கிகளில் நிலையான ஆற்றலில் (1.8 VRHE) மின்னாற்பகுப்புடன் மேற்கொள்ளப்பட்டது. பின்னர், FE மற்றும் AA உற்பத்தித்திறன் கணக்கிடப்பட்டது. NiV-LDH-NS வினையூக்கிக்கு, AA மகசூல் மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் C இடையேயான உறவு LH பயன்முறையில் ஒரு பொதுவான "எரிமலை வகை" வளைவைக் காட்டியது (படம் 4a), இது உயர் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் கவரேஜ் OH− உறிஞ்சுதலுடன் போட்டியிடுகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது. Ni(OH)2-NS-ஐப் பொறுத்தவரை, சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் C இன் அதிகரிப்பு 0.05 இலிருந்து 0.45 M ஆக AA மகசூல் ஒரே மாதிரியாக அதிகரித்தது, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மொத்த செறிவு அதிகமாக இருந்தாலும் (0.45 M), அதன் மேற்பரப்பு பாதுகாப்பு இன்னும் ஒப்பீட்டளவில் குறைவாக இருந்தது என்பதைக் குறிக்கிறது. கூடுதலாக, COH− 1.5 M ஆக அதிகரித்ததால், சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் C ஐப் பொறுத்து Ni(OH)2-NS இல் ஒரு "எரிமலை வகை" வளைவு காணப்பட்டது, மேலும் NiV-LDH-NS உடன் ஒப்பிடும்போது செயல்திறனின் ஊடுருவல் புள்ளி தாமதமானது, இது Ni(OH)2-NS இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் பலவீனமான உறிஞ்சுதலை மேலும் நிரூபிக்கிறது (துணை படம் 25a மற்றும் குறிப்பு 5). கூடுதலாக, NiV-LDH-NS இல் AA இன் FE, C-cyclohexanone க்கு மிகவும் உணர்திறன் கொண்டது மற்றும் C-cyclohexanone 0.05 M இலிருந்து 0.3 M ஆக அதிகரித்தபோது 80% க்கும் அதிகமாக வேகமாக அதிகரித்தது, இது NiV-LDH-NS இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் எளிதில் செறிவூட்டப்பட்டது என்பதைக் குறிக்கிறது (படம் 4b). இதற்கு நேர்மாறாக, C-cyclohexanone இன் செறிவை அதிகரிப்பது Ni(OH)2-NS இல் OER ஐ கணிசமாகத் தடுக்கவில்லை, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் போதுமான உறிஞ்சுதல் இல்லாததால் இருக்கலாம். மாறாக, வினையூக்க செயல்திறனில் COH− இன் சார்பு பற்றிய மேலும் விசாரணை, NiV-LDH-NS உடன் ஒப்பிடும்போது சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதல் மேம்பட்டது என்பதையும் உறுதிப்படுத்தியது, இது COR செயல்முறையின் போது AA இன் FE ஐக் குறைக்காமல் அதிக COH− ஐ பொறுத்துக்கொள்ள முடியும் (துணை படம் 25b, c மற்றும் குறிப்பு 5).
0.5 M KOH இல் வெவ்வேறு C உடன் சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் b Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இன் AA மற்றும் EF இன் உற்பத்தித்திறன். c NiOOH மற்றும் NiVOOH இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதல் ஆற்றல்கள். 1.80 VRHE இல் 0.5 M KOH மற்றும் 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் AA இன் d FE தொடர்ச்சியற்ற மற்றும் நிலையான சாத்தியமான உத்திகளைப் பயன்படுத்தி. பிழை பார்கள் ஒரே மாதிரியைப் பயன்படுத்தி மூன்று சுயாதீன அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன மற்றும் 10% க்குள் உள்ளன. e மேலே: Ni(OH)2-NS இல், குறைந்த மேற்பரப்பு C கொண்ட சைக்ளோஹெக்ஸனோன் சைக்ளோஹெக்ஸனோனால் பலவீனமாக உறிஞ்சப்படுகிறது, இதன் விளைவாக OER க்கு வலுவான போட்டி ஏற்படுகிறது. கீழே: NiV-LDH-NS இல், சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் அதிகரித்த உறிஞ்சுதலுடன் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் C இன் அதிக மேற்பரப்பு செறிவு காணப்படுகிறது, இதன் விளைவாக OER ஒடுக்கப்படுகிறது. a–d க்கான மூல தரவு மூல தரவு கோப்பில் வழங்கப்பட்டுள்ளது.
NiV-LDH-NS இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேம்படுத்தப்பட்ட உறிஞ்சுதலை சோதிக்க, உறிஞ்சப்பட்ட உயிரினங்களின் நிறை மாற்றத்தை உண்மையான நேரத்தில் கண்காணிக்க மின்வேதியியல் இணைக்கப்பட்ட குவார்ட்ஸ் படிக நுண் சமநிலையை (E-QCM) பயன்படுத்தினோம். NiV-LDH-NS இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் ஆரம்ப உறிஞ்சுதல் திறன் OCP நிலையில் Ni(OH)2-NS ஐ விட 1.6 மடங்கு பெரியதாக இருப்பதாக முடிவுகள் காட்டுகின்றன, மேலும் உறிஞ்சுதல் திறனில் இந்த வேறுபாடு 1.5 VRHE ஆக அதிகரித்ததால் மேலும் அதிகரித்தது (துணை படம் 26). NiOOH மற்றும் NiVOOH இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதல் நடத்தையை ஆராய சுழல்-துருவப்படுத்தப்பட்ட DFT கணக்கீடுகள் செய்யப்பட்டன (படம் 4c). சைக்ளோஹெக்ஸனோன் NiOOH இல் உள்ள Ni-மையத்தில் -0.57 eV உறிஞ்சு ஆற்றலுடன் (Eads) உறிஞ்சுகிறது, அதே நேரத்தில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் Ni-மையம் அல்லது NiVOOH இல் உள்ள V-மையத்தில் உறிஞ்ச முடியும், அங்கு V-மையம் மிகக் குறைந்த Eads (-0.69 eV) ஐ வழங்குகிறது, இது NiVOOH இல் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் வலுவான உறிஞ்சுதலுடன் ஒத்துப்போகிறது.
சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேம்படுத்தப்பட்ட உறிஞ்சுதல் AA உருவாக்கத்தை ஊக்குவிக்கும் மற்றும் OER ஐத் தடுக்கும் என்பதை மேலும் சரிபார்க்க, முந்தைய அறிக்கைகளால் ஈர்க்கப்பட்ட வினையூக்கி மேற்பரப்பில் சைக்ளோஹெக்ஸனோனை வளப்படுத்த இடைவிடாத ஆற்றல் உத்தியைப் பயன்படுத்தினோம் (Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS க்கு). 51, 52 குறிப்பாக, COR க்கு 1.8 VRHE இன் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தினோம், பின்னர் அதை OCP நிலைக்கு மாற்றினோம், பின்னர் அதை மீண்டும் 1.8 VRHE க்கு மாற்றினோம். இந்த வழக்கில், மின்னாற்பகுப்புகளுக்கு இடையில் OCP நிலையில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் வினையூக்கி மேற்பரப்பில் குவியக்கூடும் (விரிவான நடைமுறைகளுக்கு முறைகள் பகுதியைப் பார்க்கவும்). Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS க்கு, இடைவிடாத ஆற்றல் மின்னாற்பகுப்பைப் பயன்படுத்துவது நிலையான சாத்தியமான மின்னாற்பகுப்புடன் ஒப்பிடும்போது வினையூக்க செயல்திறனை மேம்படுத்தியதாக முடிவுகள் காட்டுகின்றன (படம் 4d). குறிப்பிடத்தக்க வகையில், NiV-LDH-NS ஐ விட Ni(OH)2-NS, COR (AA FE: 51% முதல் 82% வரை) மற்றும் OER (O2 FE: 27% முதல் 4% வரை) அடக்குவதில் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றத்தைக் காட்டியது. இது, இடைப்பட்ட சாத்தியமான மின்னாற்பகுப்பு மூலம் பலவீனமான உறிஞ்சுதல் திறன் (அதாவது, Ni(OH)2-NS) கொண்ட வினையூக்கியில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் திரட்சியை அதிக அளவில் மேம்படுத்த முடியும் என்ற உண்மைக்குக் காரணம்.
ஒட்டுமொத்தமாக, NiV-LDH-NS இல் OER இன் தடுப்புக்கு சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேம்பட்ட உறிஞ்சுதலே காரணமாக இருக்கலாம் (படம் 4e). Ni(OH)2-NS இல் (படம் 4e, மேலே), சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் பலவீனமான உறிஞ்சுதல் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த சைக்ளோஹெக்ஸனோன் கவரேஜையும், வினையூக்கி மேற்பரப்பில் ஒப்பீட்டளவில் அதிக OH* கவரேஜையும் ஏற்படுத்தியது. எனவே, அதிகப்படியான OH* இனங்கள் OER க்கு கடுமையான போட்டிக்கு வழிவகுக்கும் மற்றும் AA இன் FE ஐக் குறைக்கும். இதற்கு நேர்மாறாக, NiV-LDH-NS இல் (படம் 4e, கீழே), V மாற்றம் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதல் திறனை அதிகரித்தது, இதன் மூலம் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேற்பரப்பு C ஐ அதிகரித்தது மற்றும் COR க்கு உறிஞ்சப்பட்ட OH* இனங்களை திறம்படப் பயன்படுத்தியது, AA உருவாவதை ஊக்குவித்தது மற்றும் OER ஐத் தடுக்கிறது.
Ni இனங்கள் மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் உறிஞ்சுதலின் மறுகட்டமைப்பில் V மாற்றத்தின் விளைவை ஆராய்வதோடு மட்டுமல்லாமல், COR இலிருந்து AA உருவாக்கப் பாதையை V மாற்றுகிறதா என்பதையும் நாங்கள் ஆராய்ந்தோம். இலக்கியத்தில் பல வேறுபட்ட COR பாதைகள் முன்மொழியப்பட்டுள்ளன, மேலும் எங்கள் எதிர்வினை அமைப்பில் அவற்றின் சாத்தியக்கூறுகளை நாங்கள் பகுப்பாய்வு செய்தோம் (மேலும் விவரங்களுக்கு துணை படம் 27 மற்றும் துணை குறிப்பு 6 ஐப் பார்க்கவும்)13,14,26. முதலாவதாக, COR பாதையின் முதல் படியில் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் ஆரம்ப ஆக்சிஜனேற்றம் முக்கிய இடைநிலை 2-ஹைட்ராக்ஸிசைக்ளோஹெக்ஸனோனை உருவாக்கலாம் (2)13,14 என்று தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது. செயல்முறையைச் சரிபார்க்க, வினையூக்கி மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்பட்ட செயலில் உள்ள இடைநிலைகளைப் பிடிக்க 5,5-டைமெதில்-1-பைரோலிடின் N-ஆக்சைடு (DMPO) ஐப் பயன்படுத்தினோம் மற்றும் EPR ஐ ஆய்வு செய்தோம். COR செயல்முறையின் போது இரண்டு வினையூக்கிகளிலும் C-மையப்படுத்தப்பட்ட தீவிரவாதிகள் (R ) மற்றும் ஹைட்ராக்சில் தீவிரவாதிகள் (OH ) இருப்பதை EPR முடிவுகள் வெளிப்படுத்தின, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் Cα − H ஹைட்ரஜனேற்றம் ஒரு இடைநிலை எனோலேட் தீவிரவாதியை (1) உருவாக்குகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது பின்னர் OH* ஆல் ஆக்ஸிஜனேற்றப்பட்டு 2 ஐ உருவாக்குகிறது (படம் 5a மற்றும் துணை படம் 28). இரண்டு வினையூக்கிகளிலும் ஒரே இடைநிலைகள் அடையாளம் காணப்பட்டாலும், NiV-LDH-NS இல் உள்ள R சமிக்ஞையின் பரப்பளவு Ni(OH)2-NS ஐ விட ஒப்பீட்டளவில் அதிகமாக இருந்தது, இது சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேம்பட்ட உறிஞ்சுதல் திறன் காரணமாக இருக்கலாம் (துணை அட்டவணை 3 மற்றும் குறிப்பு 7). V அடுத்தடுத்த ஆக்சிஜனேற்ற படிநிலையை மாற்றியமைக்குமா என்பதை சோதிக்க, மின்னாற்பகுப்புக்கான தொடக்க வினைபடுபொருள்களாக 2 மற்றும் 1,2-சைக்ளோஹெக்ஸனெடியோன் (3) ஐ மேலும் பயன்படுத்தினோம். Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் உள்ள சாத்தியமான இடைநிலைகளின் (2 மற்றும் 3) மின்னாற்பகுப்பு முடிவுகள் ஒப்பிடக்கூடிய தயாரிப்புத் தேர்வுகளைக் காட்டின, இது Ni(OH)2-NS அல்லது NiV-LDH-NS இல் COR எதிர்வினை ஒத்த பாதைகள் வழியாகச் சென்றதைக் குறிக்கிறது (படம் 5b). மேலும், 2 வினைபடுபொருளாகப் பயன்படுத்தப்படும்போது மட்டுமே AA முக்கிய உற்பத்தியாக இருந்தது, இது இரண்டு வினையூக்கிகளிலும் 3 க்கு அடுத்தடுத்த ஆக்சிஜனேற்றத்திற்குப் பதிலாக 2 இன் Cα − Cβ பிணைப்பின் பிளவு மூலம் நேரடி ஆக்ஸிஜனேற்ற செயல்முறை மூலம் AA பெறப்பட்டது என்பதைக் குறிக்கிறது, ஏனெனில் 3 தொடக்க வினைபடுபொருளாகப் பயன்படுத்தப்பட்டபோது அது முக்கியமாக GA ஆக மாற்றப்பட்டது (துணை படங்கள் 29, 30).
0.5 M KOH + 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் NiV-LDH-NS இன் EPR சமிக்ஞை. b 2-ஹைட்ராக்ஸிசைக்ளோஹெக்ஸனோன் (2) மற்றும் 1,2-சைக்ளோஹெக்ஸனெடியோன் (3) ஆகியவற்றின் மின்னாற்பகுப்பு பகுப்பாய்வின் முடிவுகள். 0.5 M KOH மற்றும் 0.1 M 2 அல்லது 3 இல் 1.8 VRE இல் ஒரு மணி நேரத்திற்கு மின்னாற்பகுப்பு மேற்கொள்ளப்பட்டது. பிழைப் பட்டைகள் ஒரே வினையூக்கியைப் பயன்படுத்தி இரண்டு சுயாதீன அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன. c இரண்டு வினையூக்கிகளில் COR இன் முன்மொழியப்பட்ட எதிர்வினை பாதைகள். d Ni(OH)2-NS (இடது) மற்றும் d NiV-LDH-NS (வலது) இல் COR பாதையின் திட்ட விளக்கப்படம். சிவப்பு அம்புகள் COR செயல்பாட்டில் V மாற்றம் ஊக்குவிக்கும் படிகளைக் குறிக்கின்றன. a மற்றும் b க்கான மூல தரவு மூல தரவு கோப்பில் வழங்கப்பட்டுள்ளது.
ஒட்டுமொத்தமாக, Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS ஆகியவை COR ஐ ஒரே மாதிரியான பாதை வழியாக வினையூக்குகின்றன என்பதை நாங்கள் நிரூபித்தோம்: சைக்ளோஹெக்ஸனோன் வினையூக்கி மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்பட்டு, ஹைட்ரஜனேற்றம் செய்யப்பட்டு எலக்ட்ரான்களை இழந்து 1 ஐ உருவாக்குகிறது, பின்னர் இது OH* ஆல் ஆக்ஸிஜனேற்றப்பட்டு 2 ஐ உருவாக்குகிறது, அதைத் தொடர்ந்து பலபடி மாற்றங்கள் AA ஐ உருவாக்குகின்றன (படம் 5c). இருப்பினும், சைக்ளோஹெக்ஸனோன் ஒரு வினைபடுபொருளாகப் பயன்படுத்தப்பட்டபோது, ​​OER போட்டி Ni(OH)2-NS இல் மட்டுமே காணப்பட்டது, அதே நேரத்தில் 2 மற்றும் 3 வினைபடுபொருட்களாகப் பயன்படுத்தப்பட்டபோது மிகக் குறைந்த அளவு ஆக்ஸிஜன் சேகரிக்கப்பட்டது. இதனால், வினைபடுபொருளில் காணப்பட்ட வேறுபாடுகள் எதிர்வினை பாதையில் ஏற்படும் மாற்றங்களை விட V மாற்றத்தால் ஏற்படும் RDS ஆற்றல் தடை மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் உறிஞ்சுதல் திறனில் ஏற்படும் மாற்றங்களால் இருக்கலாம். எனவே இரண்டு வினைபடுபொருள்களிலும் உள்ள வினைபடு பாதைகளின் RDS ஐ நாங்கள் பகுப்பாய்வு செய்தோம். மேலே குறிப்பிடப்பட்ட இன் சிட்டு எக்ஸ்-ரே ஒலி நிறமாலை முடிவுகள், V மாற்றம் COR எதிர்வினையில் RDS ஐ மறுகட்டமைப்பு நிலையிலிருந்து வேதியியல் நிலைக்கு மாற்றுகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது NiV-LDH-NS இல் NiOOH கட்டம் மற்றும் உயர்-வேலண்ட் Ni இனங்களை அப்படியே வைத்திருக்கிறது (படம் 3f, துணை படம் 24, மற்றும் குறிப்பு 4). CV அளவீட்டின் போது வெவ்வேறு சாத்தியமான பகுதிகளின் ஒவ்வொரு பகுதியிலும் மின்னோட்ட அடர்த்தியால் குறிப்பிடப்படும் எதிர்வினை செயல்முறைகளை நாங்கள் மேலும் பகுப்பாய்வு செய்தோம் (விவரங்களுக்கு துணை படம் 31 மற்றும் குறிப்பு 8 ஐப் பார்க்கவும்) மற்றும் H/D இயக்க ஐசோடோப்பு பரிமாற்ற சோதனைகளைச் செய்தோம், இது NiV-LDH-NS இல் COR இன் RDS குறைப்பு நிலைக்குப் பதிலாக வேதியியல் கட்டத்தில் Cα − H பிணைப்பின் பிளவுகளை உள்ளடக்கியது என்பதை கூட்டாக நிரூபித்தது (கூடுதல் விவரங்களுக்கு துணை படம் 32 மற்றும் குறிப்பு 8 ஐப் பார்க்கவும்).
மேலே உள்ள பகுப்பாய்வின் அடிப்படையில், V மாற்றத்தின் ஒட்டுமொத்த விளைவு படம் 5d இல் காட்டப்பட்டுள்ளது. Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS வினையூக்கிகள் அதிக அனோடிக் ஆற்றல்களில் மேற்பரப்பு மறுகட்டமைப்புக்கு உட்படுகின்றன மற்றும் COR ஐ ஒத்த பாதை வழியாக வினையூக்குகின்றன. Ni(OH)2-NS இல் (படம் 5d, இடது), COR செயல்முறையின் போது மறுகட்டமைப்பு படி RDS ஆகும்; NiV-LDH-NS இல் (படம் 5d, வலது), V மாற்றம் மறுகட்டமைப்பு செயல்முறையை கணிசமாக துரிதப்படுத்தியது மற்றும் RDS ஐ சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் Cα−H டீஹைட்ரஜனேற்றமாக மாற்றி 1 ஐ உருவாக்குகிறது. கூடுதலாக, சைக்ளோஹெக்ஸனோன் உறிஞ்சுதல் V தளத்தில் நிகழ்ந்தது மற்றும் NiV-LDH-NS இல் மேம்படுத்தப்பட்டது, இது OER ஐ அடக்குவதற்கு பங்களித்தது.
பரந்த அளவிலான சாத்தியமான வரம்பில் அதிக FE உடன் NiV-LDH-NS இன் சிறந்த மின்னாற்பகுப்பு செயல்திறனைக் கருத்தில் கொண்டு, AA இன் தொடர்ச்சியான உற்பத்தியை அடைய ஒரு MEA ஐ வடிவமைத்தோம். MEA ஆனது NiV-LDH-NS ஐ அனோடாகவும், வணிக PtRu/C ஐ கேத்தோடாகவும்53 மற்றும் ஒரு அயனி பரிமாற்ற சவ்வு (வகை: FAA-3-50) (படம் 6a மற்றும் துணை படம் 33)54 ஐப் பயன்படுத்தி கூடியது. மேலே உள்ள ஆய்வில் செல் மின்னழுத்தம் குறைந்து AA இன் FE 0.5 M KOH உடன் ஒப்பிடத்தக்கதாக இருந்ததால், அனோலைட் செறிவு 1 M KOH ஆக மேம்படுத்தப்பட்டது (துணை படம் 25c). பதிவுசெய்யப்பட்ட LSV வளைவுகள் துணை படம் 34 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன, இது NiV-LDH-NS இன் COR செயல்திறன் Ni(OH)2-NS ஐ விட கணிசமாக அதிகமாக இருப்பதைக் குறிக்கிறது. NiV-LDH-NS இன் மேன்மையை நிரூபிக்க, 50 முதல் 500 mA cm−2 வரையிலான படி மின்னோட்ட அடர்த்தியுடன் நிலையான மின்னோட்ட மின்னாற்பகுப்பு மேற்கொள்ளப்பட்டது மற்றும் தொடர்புடைய செல் மின்னழுத்தம் பதிவு செய்யப்பட்டது. முடிவுகள் NiV-LDH-NS 300 mA cm−2 மின்னோட்ட அடர்த்தியில் 1.76 V செல் மின்னழுத்தத்தைக் காட்டியது, இது Ni(OH)2-NS (2.09 V) ஐ விட சுமார் 16% குறைவாக இருந்தது, இது AA உற்பத்தியில் அதன் அதிக ஆற்றல் செயல்திறனைக் குறிக்கிறது (படம் 6b).
ஓட்ட பேட்டரியின் திட்ட வரைபடம். b வெவ்வேறு மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் 1 M KOH மற்றும் 0.4 M சைக்ளோஹெக்ஸனோனில் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் iR இழப்பீடு இல்லாத செல் மின்னழுத்தம். c வெவ்வேறு மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS இல் AA மற்றும் FE விளைச்சல். பிழை பார்கள் ஒரே வினையூக்கியைப் பயன்படுத்தி இரண்டு சுயாதீன அளவீடுகளின் நிலையான விலகலைக் குறிக்கின்றன. d எங்கள் வேலையின் வினையூக்க செயல்திறனை மற்ற அறிக்கையிடப்பட்ட ஓட்ட பேட்டரி அமைப்புகளுடன் ஒப்பிடுதல்14,17,19. எதிர்வினை அளவுருக்கள் மற்றும் எதிர்வினை பண்புகள் துணை அட்டவணை 2 இல் விரிவாக பட்டியலிடப்பட்டுள்ளன. e நீண்ட கால சோதனையில் முறையே 200 மற்றும் 300 mA cm−2 இல் NiV-LDH-NS இல் AA இன் செல் மின்னழுத்தம் மற்றும் FE. be க்கான மூல தரவு ஒரு மூல தரவு கோப்பாக வழங்கப்படுகிறது.
இதற்கிடையில், படம் 6c இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, NiV-LDH-NS அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் (200 முதல் 500 mA cm-2) நல்ல FE (83% முதல் 61%) வரை பராமரித்தது, இதன் மூலம் AA உற்பத்தித்திறனை மேம்படுத்தியது (1031 முதல் 1900 μmol cm-2 h-1). இதற்கிடையில், மின்னாற்பகுப்புக்குப் பிறகு கேத்தோடு பெட்டியில் 0.8% அடிபிக் அமில அயனிகள் மட்டுமே காணப்பட்டன, இது எங்கள் விஷயத்தில் சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மாற்றம் குறிப்பிடத்தக்கதாக இல்லை என்பதைக் குறிக்கிறது (துணை படம் 35). இதற்கு நேர்மாறாக, மின்னோட்ட அடர்த்தியின் அதே அதிகரிப்பு விகிதத்துடன், Ni(OH)2-NS இல் AA இன் FE 61% இலிருந்து 34% ஆகக் குறைந்தது, இது AA உற்பத்தித்திறனை மேம்படுத்துவதை கடினமாக்கியது (762 முதல் 1050 μmol cm-2 h-1). குறிப்பாக, OER இன் வலுவான போட்டி காரணமாக AA இன் செயல்திறன் சற்று குறைந்தது, இதனால் மின்னோட்ட அடர்த்தி அதிகரிப்புடன் AA இன் FE கூர்மையாகக் குறைந்தது (200 முதல் 250 mA cm−2, துணை படம் 5). எங்கள் அறிவின் சிறந்த வரை, NiV-LDH-NS வினையூக்கிகளுடன் MEA ஐப் பயன்படுத்தும் வினையூக்க முடிவுகள், Ni- அடிப்படையிலான வினையூக்கிகளுடன் முன்னர் அறிவிக்கப்பட்ட ஓட்ட உலைகளின் செயல்திறனைக் கணிசமாக மீறுகின்றன (துணை அட்டவணை 2). மேலும், படம் 6d இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, NiV-LDH-NS, மின்னோட்ட அடர்த்தி, செல் மின்னழுத்தம் மற்றும் AA இன் FE ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் குறிப்பிடத்தக்க நன்மைகளைக் காட்டியது, அதாவது, சிறந்த செயல்திறன் கொண்ட இணை அடிப்படையிலான வினையூக்கியுடன், அதாவது, கிராஃபீன்-ஆதரவு Co3O4 (Co3O4/GDY)17 ஒப்பிடும்போது. கூடுதலாக, AA உற்பத்தியின் ஆற்றல் நுகர்வை நாங்கள் மதிப்பீடு செய்து, AA நுகர்வு மிகக் குறைவாக இருந்தது, 300 mA cm-2 மின்னோட்ட அடர்த்தி மற்றும் 1.76 V செல் மின்னழுத்தத்தில் 2.4 W h gAA-1 மட்டுமே என்பதைக் காட்டினோம் (விரிவான கணக்கீடுகள் துணை குறிப்பு 1 இல் வழங்கப்பட்டுள்ளன). முன்னர் அறிவிக்கப்பட்ட Co3O4/GDY க்கான 4.1 W h gAA-1 இன் சிறந்த முடிவுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​எங்கள் வேலையில் AA உற்பத்திக்கான ஆற்றல் நுகர்வு 42% குறைக்கப்பட்டது மற்றும் உற்பத்தித்திறன் 4 மடங்கு அதிகரித்தது (1536 vs. 319 μmol cm-2 h-1)17.
MEA இல் நீண்ட கால AA உற்பத்திக்கான NiV-LDH-NS வினையூக்கியின் நிலைத்தன்மை முறையே 200 மற்றும் 300 mA cm-2 மின்னோட்ட அடர்த்தியில் மதிப்பிடப்பட்டது (படம் 6e). அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் OH− வேகமாக நுகரப்படுவதால், 300 mA cm-2 இல் உள்ள எலக்ட்ரோலைட் புதுப்பித்தல் விகிதம் 200 mA cm-2 ஐ விட அதிகமாக உள்ளது (விவரங்களுக்கு "மின்வேதியியல் அளவீடுகள்" என்ற துணைப்பிரிவைப் பார்க்கவும்). 200 mA cm-2 மின்னோட்ட அடர்த்தியில், சராசரி COR செயல்திறன் முதல் 6 மணிநேரத்தில் 93% ஆக இருந்தது, பின்னர் 60 மணிநேரத்திற்குப் பிறகு 81% ஆக சற்று குறைந்தது, அதே நேரத்தில் செல் மின்னழுத்தம் 7% (1.62 V இலிருந்து 1.73 V வரை) சற்று அதிகரித்தது, இது நல்ல நிலைத்தன்மையைக் குறிக்கிறது. மின்னோட்ட அடர்த்தி 300 mA cm−2 ஆக அதிகரித்ததால், AA செயல்திறன் கிட்டத்தட்ட மாறாமல் இருந்தது (85% இலிருந்து 72% ஆகக் குறைந்தது), ஆனால் 46-h சோதனையின் போது (படம் 6e) செல் மின்னழுத்தம் கணிசமாக அதிகரித்தது (1.71 இலிருந்து 2.09 V ஆக, 22% க்கு ஒத்திருக்கிறது). செயல்திறன் சிதைவுக்கான முக்கிய காரணம் சைக்ளோஹெக்ஸனோனால் அயனி பரிமாற்ற சவ்வு (AEM) அரிப்பு ஆகும், இது எலக்ட்ரோலைசர் கலத்தின் செல் எதிர்ப்பு மற்றும் மின்னழுத்தத்தில் அதிகரிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது (துணை படம் 36), அனோடில் இருந்து கேத்தோடு வரை எலக்ட்ரோலைட்டின் சிறிதளவு கசிவு ஏற்படுகிறது, இதன் விளைவாக அனோலைட் அளவு குறைகிறது மற்றும் மின்னாற்பகுப்பை நிறுத்த வேண்டிய அவசியம் ஏற்படுகிறது. கூடுதலாக, AA இன் FE இல் குறைவு வினையூக்கிகளின் கசிவு காரணமாகவும் இருக்கலாம், இது OER க்கு Ni நுரை திறப்பதற்கு சாதகமாக உள்ளது. 300 mA cm−2 இல் நிலைத்தன்மையின் சீரழிவில் அரிக்கப்பட்ட AEM இன் தாக்கத்தை நிரூபிக்க, 46 மணிநேர மின்னாற்பகுப்புக்குப் பிறகு அதை ஒரு புதிய AEM உடன் மாற்றினோம். எதிர்பார்த்தபடி, வினையூக்க செயல்திறன் தெளிவாக மீட்டெடுக்கப்பட்டது, செல் மின்னழுத்தம் ஆரம்ப மதிப்புக்கு (2.09 இலிருந்து 1.71 V வரை) கணிசமாகக் குறைந்து, அடுத்த 12 மணிநேர மின்னாற்பகுப்பின் போது சிறிது அதிகரித்தது (1.71 இலிருந்து 1.79 V வரை, 5% அதிகரிப்பு; படம் 6e).
ஒட்டுமொத்தமாக, 200 mA cm−2 மின்னோட்ட அடர்த்தியில் 60 மணிநேர தொடர்ச்சியான AA உற்பத்தி நிலைத்தன்மையை எங்களால் அடைய முடிந்தது, இது AA இன் FE மற்றும் செல் மின்னழுத்தம் நன்கு பராமரிக்கப்படுவதைக் குறிக்கிறது. 300 mA cm−2 அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியையும் நாங்கள் முயற்சித்தோம், மேலும் 58 மணிநேர ஒட்டுமொத்த நிலைத்தன்மையை அடைந்தோம், 46 மணிநேரத்திற்குப் பிறகு AEM ஐ புதியதாக மாற்றினோம். மேற்கண்ட ஆய்வுகள் வினையூக்கியின் நிலைத்தன்மையை நிரூபிக்கின்றன, மேலும் தொழில்துறை ரீதியாக சிறந்த மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் தொடர்ச்சியான AA உற்பத்திக்கான MEA இன் நீண்டகால நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்த அதிக சக்தி கொண்ட AEM களின் எதிர்கால வளர்ச்சியின் அவசியத்தை தெளிவாகக் குறிக்கின்றன.
எங்கள் MEA-வின் செயல்திறனை அடிப்படையாகக் கொண்டு, அடி மூலக்கூறு ஊட்டம், மின்னாற்பகுப்பு, நடுநிலைப்படுத்தல் மற்றும் பிரிப்பு அலகுகள் (துணை படம் 37) உள்ளிட்ட முழுமையான AA உற்பத்தி செயல்முறையை நாங்கள் முன்மொழிந்தோம். கார எலக்ட்ரோலைட் எலக்ட்ரோகேடலிடிக் கார்பாக்சிலேட் உற்பத்தி மாதிரியைப் பயன்படுத்தி அமைப்பின் பொருளாதார சாத்தியக்கூறுகளை மதிப்பிடுவதற்கு ஒரு ஆரம்ப செயல்திறன் பகுப்பாய்வு நடத்தப்பட்டது. இந்த வழக்கில், செலவுகளில் மூலதனம், செயல்பாடுகள் மற்றும் பொருட்கள் (படம் 7a மற்றும் துணை படம் 38) ஆகியவை அடங்கும், மேலும் வருவாய்கள் AA மற்றும் H2 உற்பத்தியிலிருந்து வருகின்றன. TEA முடிவுகள், எங்கள் இயக்க நிலைமைகளின் கீழ் (தற்போதைய அடர்த்தி 300 mA cm-2, செல் மின்னழுத்தம் 1.76 V, FE 82%), மொத்த செலவுகள் மற்றும் வருவாய்கள் முறையே US$2429 மற்றும் US$2564 ஆகும், இது உற்பத்தி செய்யப்படும் AA டன் ஒன்றுக்கு US$135 நிகர லாபமாக மாறும் (விவரங்களுக்கு துணை குறிப்பு 9 ஐப் பார்க்கவும்).
a FE 82%, மின்னோட்ட அடர்த்தி 300 mA cm−2 மற்றும் செல் மின்னழுத்தம் 1.76 V உடன் அடிப்படை சூழ்நிலையின் கீழ் AA மின்வேதியியல் செயல்முறையின் மொத்த செலவு. b FE மற்றும் c மின்னோட்ட அடர்த்திக்கான மூன்று செலவுகளின் உணர்திறன் பகுப்பாய்வு. உணர்திறன் பகுப்பாய்வில், ஆய்வு செய்யப்பட்ட அளவுருக்கள் மட்டுமே மாறுபட்டன, மேலும் TEA மாதிரியின் அடிப்படையில் மற்ற அளவுருக்கள் நிலையானதாக வைக்கப்பட்டன. d வெவ்வேறு FE மற்றும் மின்னோட்ட அடர்த்தியின் விளைவுகள் AA மின் தொகுப்பு மற்றும் Ni(OH)2-NS மற்றும் NiV-LDH-NS ஐப் பயன்படுத்தி லாபத்தில் ஏற்படும் விளைவுகள், செல் மின்னழுத்தம் 1.76 V இல் நிலையானதாக வைக்கப்படுகிறது என்று கருதி. a–d க்கான உள்ளீட்டுத் தரவு மூல தரவு கோப்பில் கொடுக்கப்பட்டுள்ளது.
இந்த முன்மாதிரியின் அடிப்படையில், AA மின்னாற்பகுப்பின் லாபத்தில் FE மற்றும் மின்னோட்ட அடர்த்தியின் தாக்கத்தை நாங்கள் மேலும் ஆராய்ந்தோம். FE இன் குறைவு இயக்க செலவில் குறிப்பிடத்தக்க அதிகரிப்புக்கு வழிவகுக்கும் என்பதால், லாபம் AA இன் FE க்கு மிகவும் உணர்திறன் வாய்ந்தது என்பதைக் கண்டறிந்தோம், இதன் மூலம் ஒட்டுமொத்த செலவை கணிசமாக அதிகரிக்கிறது (படம் 7b). மின்னோட்ட அடர்த்தியைப் பொறுத்தவரை, அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி (>200 mA cm-2) மூலதனச் செலவு மற்றும் ஆலை கட்டுமான செலவைக் குறைக்க உதவுகிறது, முக்கியமாக மின்னாற்பகுப்பு செல் பகுதியைக் குறைப்பதன் மூலம், இதன் மூலம் லாபத்தில் அதிகரிப்புக்கு பங்களிக்கிறது (படம் 7c). மின்னோட்ட அடர்த்தியுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​FE லாபத்தில் மிகவும் குறிப்பிடத்தக்க தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகிறது. லாபத்தில் FE மற்றும் மின்னோட்ட அடர்த்தியின் தாக்கத்தை வகைப்படுத்துவதன் மூலம், லாபத்தை உறுதி செய்வதற்காக தொழில்துறை ரீதியாக பொருத்தமான மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் (>200 mA cm-2) அதிக FE (>60%) ஐ அடைவதன் முக்கியத்துவத்தை நாம் தெளிவாகக் காண்கிறோம். AA இன் அதிக FE மதிப்பு காரணமாக, NiV-LDH-NS வினையூக்கியாகக் கொண்ட வினை அமைப்பு 100–500 mA cm−2 (பென்டாகிராம் புள்ளிகள்; படம் 7d) வரம்பில் சாதகமாகவே உள்ளது. இருப்பினும், Ni(OH)2-NS க்கு, அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் (>200 mA cm−2) FE குறைவது சாதகமற்ற முடிவுகளுக்கு வழிவகுத்தது (வட்டங்கள்; படம் 7d), அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் அதிக FE கொண்ட வினையூக்கிகளின் முக்கியத்துவத்தை எடுத்துக்காட்டுகிறது.
மூலதனம் மற்றும் இயக்க செலவுகளைக் குறைப்பதில் வினையூக்கிகளின் முக்கியத்துவத்துடன், எங்கள் TEA மதிப்பீடு லாபத்தை இரண்டு வழிகளில் மேலும் மேம்படுத்தலாம் என்று கூறுகிறது. முதலாவது, பொட்டாசியம் சல்பேட்டை (K2SO4) சந்தையில் நடுநிலைப்படுத்தல் அலகின் துணைப் பொருளாக இணைந்து விற்பனை செய்வது, ஆனால் US$828/t AA-1 (துணை குறிப்பு 9) சாத்தியமான வருவாயுடன். இரண்டாவது, பொருள் மறுசுழற்சி அல்லது அதிக செலவு குறைந்த AA பிரிப்பு தொழில்நுட்பங்களை உருவாக்குதல் (நடுநிலைப்படுத்தல் மற்றும் பிரிப்பு அலகுகளுக்கு மாற்றுகள்) உள்ளிட்ட செயலாக்க தொழில்நுட்பத்தை மேம்படுத்துவது. தற்போது பயன்படுத்தப்படும் அமில-அடிப்படை நடுநிலைப்படுத்தல் செயல்முறை அதிக பொருள் செலவுகளை ஏற்படுத்தக்கூடும் (இது 85.3% இல் மிகப்பெரிய பங்கைக் கொண்டுள்ளது), இதில் 94% சைக்ளோஹெக்ஸனோன் மற்றும் KOH ($2069/t AA-1; படம் 7a) காரணமாகும், ஆனால் மேலே குறிப்பிட்டுள்ளபடி, செயல்முறை இன்னும் ஒட்டுமொத்த லாபகரமானது. KOH மற்றும் வினைபுரியாத சைக்ளோஹெக்ஸனோனை மீட்டெடுப்பதற்கான மேம்பட்ட முறைகள் மூலம் பொருள் செலவுகளை மேலும் குறைக்க முடியும் என்று நாங்கள் பரிந்துரைக்கிறோம், அதாவது KOH14 இன் முழுமையான மீட்புக்கான மின் டயாலிசிஸ் (மின் டயாலிசிஸ் மூலம் US$1073/t AA-1 மதிப்பிடப்பட்ட செலவு; துணை குறிப்பு 9).
சுருக்கமாக, Ni(OH)2 நானோதாள்களில் V ஐ அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம் அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தியில் அலுமினிய அணு மின்னாற்பகுப்பின் உயர் செயல்திறனை நாங்கள் அடைந்தோம். 1.5–1.9 VRHE மற்றும் 170 mA cm−2 என்ற பரந்த ஆற்றல் வரம்பிலும், NiV-LDH-NS இல் AA FE 83–88% ஐ எட்டியது, அதே நேரத்தில் OER 3% ஆக திறம்பட அடக்கப்பட்டது. V மாற்றம் Ni2+ ஐ Ni3+x ஆகக் குறைப்பதை ஊக்குவித்தது மற்றும் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் உறிஞ்சுதலை மேம்படுத்தியது. தூண்டப்பட்ட மறுசீரமைப்பு சைக்ளோஹெக்ஸனோன் ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கான மின்னோட்ட அடர்த்தியை அதிகரிக்கிறது மற்றும் COR இன் RDS ஐ மறுகட்டமைப்பிலிருந்து Cα − H பிரித்தல் சம்பந்தப்பட்ட ஹைட்ரஜனேற்றத்திற்கு மாற்றுகிறது, அதே நேரத்தில் சைக்ளோஹெக்ஸனோனின் மேம்படுத்தப்பட்ட உறிஞ்சுதல் OER ஐ அடக்குகிறது என்பதை சோதனை மற்றும் தத்துவார்த்த தரவு குறிப்பிடுகிறது. MEA இன் வளர்ச்சியானது 300 mA cm−2 தொழில்துறை மின்னோட்ட அடர்த்தி, 82% சாதனை AA செயல்திறன் மற்றும் 1536 μmol cm−2 h−1 உற்பத்தித்திறன் ஆகியவற்றில் தொடர்ச்சியான AA உற்பத்தியை அடைந்தது. 50 மணிநேர சோதனையில் NiV-LDH-NS நல்ல நிலைத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளது என்பதைக் காட்டியது, ஏனெனில் இது MEA இல் அதிக AA FE ஐ பராமரிக்க முடியும் (> 200 mA cm−2 இல் 60 மணிநேரத்திற்கு 80%; > 300 mA cm−2 இல் 58 மணிநேரத்திற்கு 70%). தொழில்துறை ரீதியாக சிறந்த மின்னோட்ட அடர்த்திகளில் நீண்டகால நிலைத்தன்மையை அடைய அதிக சக்திவாய்ந்த AEMகளை உருவாக்க வேண்டிய அவசியம் உள்ளது என்பதைக் கவனத்தில் கொள்ள வேண்டும். கூடுதலாக, TEA AA உற்பத்திக்கான எதிர்வினை உத்திகளின் பொருளாதார நன்மைகளையும், செலவுகளை மேலும் குறைக்க உயர் செயல்திறன் வினையூக்கிகள் மற்றும் மேம்பட்ட பிரிப்பு தொழில்நுட்பங்களின் முக்கியத்துவத்தையும் எடுத்துக்காட்டுகிறது.