Көмүртек кванттык чекиттери (carbon quantum dots, CQDs) бул изилдөөдө лимон кабыгынын калдыгынан гидротермалдык ыкма менен синтезделген жана кайра заряддалуучу цинк–аба батареясынын 6 M KOH электролитине наноматериалдык кошумча катары кошулган нанометр масштабындагы көмүртек бөлүкчөлөрү. Изилдөөнүн максаты CQDлер цинк/электролит интерфейсин өзгөртүү аркылуу паразиттик суутек бөлүнүп чыгуу реакциясын (hydrogen evolution reaction, HER) жайлата алабы, цинк коррозиясын азайта алабы жана мунун реалдуу цинк–аба толук клеткасынын заряд–разряд жүрүм-турумуна кандай таасир этерин эксперименттик түрдө изилдөө.

Изилдөөдө лимон кабыгынан өндүрүлгөн CQDлердин орточо TEM бөлүкчө диаметри 7,41 ± 2,48 nm деп табылган. FTIR талдоосу CQD бетинде гидроксил, карбонил/карбоксил жана C–O/C–O–C түрүндөгү кычкылтек камтыган функционалдык топтор бар экенин көрсөткөн. Бул беттик химия изилдөөчүлөр электролит интерфейсиндеги заряд бөлүштүрүлүшүнүн жана CQDлердин сууда эриген щелочтук чөйрөдө дисперсиялануу жөндөмүнүн өзгөрүшүн түшүндүрүү үчүн колдонгон негизги фактор болуп саналат.

Таза 6 M KOH электролитинин zeta potential көрсөткүчү −28,2 mV болгон учурда 0,5, 1,0 жана 1,5 mg CQD кошулганда тиешелүүлүгүнө жараша +45,4, +48,5 жана +40,4 mV маанилери өлчөнгөн. Иондук өткөрүмдүүлүк болсо таза KOH үчүн 460 mS cm⁻¹, 0,5 mg CQD үчүн 488 mS cm⁻¹, 1,0 mg үчүн 478 mS cm⁻¹ жана 1,5 mg үчүн 453 mS cm⁻¹ болгон. Бул жыйынтыктар CQD көлөмү көбөйгөн сайын бир багыттуу жакшыруу болбой турганын, төмөн–орто жүктөмдөрдө интерфейс жана ион ташуу пайдалуу түрдө өзгөргөнү менен, ашыкча жүктөмдө бөлүкчө аралык өз ара аракеттенүү жана жарым-жартылай агрегация артыкчылыктарды азайтышы мүмкүн экенин көрсөтөт.

HER эксперименттеринде CQD көлөмү өскөн сайын суутектин бөлүнүп чыгышы барган сайын кыйындаган. Макала колдонгон көрсөтүү боюнча HER onset potential 146 mV ден 217, 282 жана 291 mV ге; 10 mA cm⁻² ток тыгыздыгындагы overpotential 398 mV ден 434, 463 жана 477 mV ге; Tafel ылдыйлыгы 82 mV dec⁻¹ ден 113, 126 жана 130 mV dec⁻¹ ге жогорулаган. Ошондуктан 1,5 mg CQD HERди басаңдатуу жагынан изилденген эң күчтүү шарт болуп саналат.

Ошол эле учурда коррозия сыноолорунда эң жакшы натыйжа 1,0 mg CQDде алынган. Charge-transfer resistance \(R_{ct}\) таза 6 M KOHда 1,35 Ω болсо, 1,0 mg CQD камтыган электролитте 3,80 Ωга көтөрүлүп, булакта берилген максималдуу corrosion inhibition efficiency %64,47 болгон. 1,5 mg CQDде \(R_{ct}\) 3,26 Ωга, ингибиция натыйжалуулугу болсо %58,59га төмөндөгөн. Ошондуктан изилдөөчүлөр 1,0 mg жүктөөнү HER басаңдатуу, коррозияны алдын алуу, коллоиддик туруктуулук жана ион ташуунун ортосундагы эң жакшы жалпы тең салмак катары баалашкан.

1,0 mg CQD камтыган электролит менен курулган лабораториялык масштабдагы цинк–аба толук клеткасында заряд/разряд cut-off чыңалуулары болжол менен 1,55/1,10 V болгон, ал эми таза 6 M KOH клеткасында болжол менен 1,80/0,70 V өлчөнгөн. Ошентип, заряд–разряд чыңалуу айырмасы болжол менен 1,10 V ден 0,45 V ге тарыган. Орточо иштөө кубат тыгыздыгы да болжол менен 4,5 mW cm⁻² ден 5,5 mW cm⁻² ге жогорулаган; булак муну болжол менен %22 кубат өсүшү катары билдирет.

Бул натыйжалар үмүттөндүргөнү менен, изилдөөнүн чеги маанилүү. Изилдөө лабораториялык масштабдагы клеткаларда жүргүзүлгөн; Figure 7 болжол менен 14 сааттык galvanostatic cycling терезесин көрсөтөт. Ошондуктан жыйынтыктар көп айлык же жылдык батарея өмүрүн, сериялык өндүрүш шарттарын же коммерциялык цинк–аба системаларында ошол эле натыйжалуулук сакталарын далилдебейт. Мындан тышкары, авторлор CQDлер electrical double layer менен цинк бетин кантип жөнгө салат деп сунуштаган механизм эксперименттик натыйжаларга шайкеш келген сунушталган акылга сыярлык механизм; аны атомдук масштабда түз ырасталган жалгыз механизм катары көрсөтүүгө болбойт.

Көмүртек кванттык чекиттери бул изилдөөдө так эмне кылат?

Көмүртек кванттык чекиттери бул изилдөөдө батареянын активдүү электроду эмес, электролит кошумчасы катары кызмат кылат; 6 M KOH ичинде дисперсияланган нанокөмүртек бөлүкчөлөрү аркылуу цинк/электролит интерфейсинин заряд бөлүштүрүлүшүн, ион ташууну жана charge-transfer kineticsти өзгөртүп, HER менен коррозияны азайтууга багытталган.

“Кванттык чекит” деген эмне?

Көмүртек кванттык чекиттери бир нече нанометр өлчөмүндөгү көмүртек негизиндеги бөлүкчөлөр. “Quantum dot” аталышы нанометр масштабындагы электрондук түзүлүш жана оптикалык касиеттер менен байланыштуу; бирок бул макаланын негизги өлчөөлөрү quantum coherence, qubit жүрүм-туруму же кванттык эсептөө жөнүндө эмес.

Изилдөөдө CQDлердин электролит кошумчасы катары натыйжалуулугун түшүндүрүү үчүн төмөнкү касиеттер өзгөчө белгиленет:

• нанометр масштабындагы өлчөм,
• жогорку бет/бөлүкчө катышы,
• кычкылтек камтыган беттик функциялар,
• суудагы щелочтук чөйрөдө дисперсиялана алуу,
• электрохимиялык интерфейс менен күчтүү өз ара аракеттенүү.

Макала CQDлердин электрондук band gapин өлчөгөн эмес, quantum-confinement энергиясын эсептеген эмес жана фотолюминесценциянын кванттык чыгымын билдирген эмес. Ошондуктан бул изилдөөдөгү батарея жакшыруусун “кванттык чектелүү HERди түз токтотту” деп түшүндүрүү булактан тышкары кетүү болмок. Эксперименттик түшүндүрмө негизинен беттик химия жана электрохимиялык интерфейсти жөнгө салууга таянат.

CQDлер кандай өлчөмдө?

TEM сүрөттөрүнөн жүргүзүлгөн бөлүкчө өлчөмүнүн талдоосунда орточо диаметр:

\[ d_{\mathrm{CQD}}=7.41\pm2.48\ \mathrm{nm} \]

деп табылган.

Бул жердеги 7,41 nm өлчөнгөн орточо бөлүкчө диаметрин, ±2,48 nm болсо булакта берилген бөлүштүрүү кеңдигин/белгисиздик маанисин билдирет. TEM сүрөттөрүндө бөлүкчөлөр quasi-spherical экени, бирок айкын агрегация да көрсөткөнү белгиленген.

CQD бетинде кандай химиялык топтор байкалган?

Авторлор FTIR тилкелеринин кеңдигин көмүртек түзүлүшү толук графиттешпегенине жана төмөн температурадагы гидротермалдык өндүрүш аморфтук/турбостраттык көмүртек түзүлүшүнө шайкеш экенине ишара кылган байкоо катары баалашат.

Бул жерде маанилүү методдук чектөө бар: FTIR функционалдык топтордун бар экендиги жөнүндө маалымат берет, бирок беттеги элементтердин так байланыш абалдарын жана өлчөмдөрүн өзү эле толук аныктай албайт. Макаланын өзү да XPS жана Raman spectroscopy сыяктуу кошумча ыкмалар surface composition жана structural disorder жөнүндө көбүрөөк маалымат берерин ачык белгилейт.

UV–Vis спектри эмнени көрсөттү?

CQD камтыган KOH электролиттеринде ультрафиолет аймагында күчтүү absorption жана көрүнүүчү аймакка чейин созулган кең absorption tail байкалган.

Болжол менен 230–280 nm аралыктагы band булакта:

\(\pi\rightarrow\pi^\ast\)

өтүүлөрү, башкача айтканда sp² C=C carbon domains менен байланыштырылган.

Көрүнүүчү аймакка созулган кең absorption болсо C=O жана C–O сыяктуу oxygen-containing surface states менен байланышкан:

\(n\rightarrow\pi^\ast\)

өтүүлөрү аркылуу түшүндүрүлгөн.

CQD көлөмү көбөйгөн сайын absorption intensity жогорулаган. Курч absorption edge көрүнбөгөнү авторлор тарабынан disordered carbon domains жана heterogeneous surface states менен шайкеш деп чечмеленген.

Цинк–аба батареясында суутек бөлүнүп чыгуу реакциясы эмне үчүн көйгөй жаратат?

Цинк–аба батареясынын күчтүү щелочтук чөйрөсүндө цинк аноду керектүү цинк redox реакцияларына катышкан учурда суунун калыбына келиши аркылуу паразиттик суутек газы да пайда болушу мүмкүн; бул кошумча реакция электролитти сарптап, цинкти коррозиялап, беттик пассивацияны жана дендрит пайда болушун күчөтүп, батарея сыйымдуулугунун тезирээк начарлашына өбөлгө түзүшү мүмкүн.

Булак Zn/Zn²⁺ үчүн типтүү электрод потенциалын −1,26 V vs. SHE жана pH 14тө water reduction үчүн −0,83 V vs. SHE деп берет. Цинктин көбүрөөк терс потенциалы себептүү күчтүү щелочтук шарттарда HER термодинамикалык жактан мүмкүн болгон кошумча процесс болуп саналат.

Цинк–аба батареясында анод тарабы гана көйгөйлүү эмес. Air cathodeдо discharge маалында oxygen reduction reaction (ORR), charge маалында oxygen evolution reaction (OER) жүрөт жана бул реакциялардын жай кинетикасы да системанын натыйжалуулугун чектейт. Ошентсе да, бул макаланын негизги изилдөө багыты zinc anode–electrolyte interface, HER жана zinc corrosion болуп саналат.

HER өлчөөсү түздөн-түз цинк бетинде жүргүзүлгөнбү?

Жок. Бул экспериментти туура чечмелөө үчүн маанилүү.

HER LSV жана Tafel эксперименттеринде иштөөчү электрод катары 3 mm glassy-carbon electrode үстүнө:

• 5 mg %20 Pt/C,
• 50 µL Nafion,
• 100 µL ethanol

камтыган catalyst ink drop-cast кылынган.

Counter electrode Pt foil, reference electrode Ag/AgCl.

Демек, Table 2деги HER onset, \(\eta_{10}\) жана Tafel-slope өзгөрүүлөрү CQD-modified electrolyteнин Pt/C каталитикалык бетиндеги HER жүрүм-турумун кантип өзгөрткөнүн көрсөтөт.

Цинктеги коррозиялык таасир болсо өзүнчө potentiodynamic-polarisation жана EIS эксперименттеринде zinc foil иштөөчү электрод катары колдонулуп изилденген.

Бул эки эксперимент тобу бири-бирин толуктайт, бирок бир эле эксперимент эмес.

Zeta potential көрсөткүчүнүн −28,2 mV ден +48,5 mV ге өзгөрүшү эмнени билдирет?

Zeta potentialдын белгиси жана чоңдугунун өзгөрүшү CQD кошулмасы бөлүкчөлөрдүн/интерфейстин электростатикалык чөйрөсүн күчтүү өзгөрткөнүн жана 1,0 mg жүктөмдө CQD дисперсиясы булак эң туруктуу шарт деп баалаган абалга жеткенин көрсөтөт.

Булак таза KOHдогу терс zeta potentialды electrical double layer ичинде OH⁻ иондорунун үстөмдүгү менен байланыштырат.

CQD кошулгандан кийин күчтүү оң маанилерге өтүү авторлор тарабынан CQD бетиндеги protonated/charged functionalities, cation adsorption жана functionalised carbon surface айланасында electrical-double-layer пайда болушу менен түшүндүрүлөт.

Бул чечмелөө беттик химия жагынан акылга сыярлык, бирок изилдөөдө бетке адсорбцияланган белгилүү ион түрлөрүн атомдук масштабда түз көрсөткөн in situ spectroscopy жүргүзүлгөн эмес. Ошондуктан кайсы ион кайсы функционалдык топко кайсы байланыш геометриясы менен байлангандыгы эксперименттик түрдө чечилген эмес.

Эмне үчүн 0,5 mgда иондук өткөрүмдүүлүк өсүп, 1,5 mgда төмөндөйт?

Булактын түшүндүрмөсүнө ылайык, төмөн CQD жүктөмүндө solid–liquid interface айланасындагы ion dispersion, ion hopping жана local charge redistribution ион ташууну жеңилдетиши мүмкүн. Натыйжада conductivity:

\[ 460\rightarrow488\ \mathrm{mS\,cm^{-1}} \]

түрүндө өскөн.

Бирок CQD көлөмү көбөйгөн сайын бөлүкчө–бөлүкчө өз ара аракеттенүүлөрү жана partial aggregation өсүшү мүмкүн. 1,5 mgда zeta potentialдын +48,5 mV ден +40,4 mV ге төмөндөшү жана conductivityнин 453 mS cm⁻¹ ге түшүшү бул түшүндүрмөнү колдогон жыйынтыктар катары берилген.

Ошондуктан “CQD канчалык көп болсо, электролит ошончолук жакшы” деген жыйынтык туура эмес.

HER onset potential, overpotential жана Tafel ылдыйлыгы эмнени өлчөйт?

HER onset potential суутек бөлүнүп чыгышы байкала баштаган потенциал аймагын, \(\eta_{10}\) 10 mA cm⁻² ге жетиш үчүн керектүү кошумча электрохимиялык түрткүнү, Tafel ылдыйлыгы болсо ток потенциал менен канчалык тез өзгөрөрүн жана реакция кинетикасы канчалык жеңил же кыйын жүрөрүн мүнөздөйт.

Булакта бул маанилердин баары оң mV чоңдуктары катары берилгендиктен, Verianla ошол эле көрсөтүүнү сактайт.

CQD көлөмү көбөйгөн сайын бирдей HER ток тыгыздыгына жетиш үчүн көбүрөөк electrochemical driving force талап кылынганы HER кыйындаганын көрсөтөт.

Эң жогорку \(\eta_{10}\) жана эң жогорку Tafel slope 1,5 mg CQD шартында байкалат. Ошондуктан HER suppression гана максат болсо, 1,5 mg эң күчтүү система.

Tafel ылдыйлыгынын 120 mV dec⁻¹ чамасына чыгышы эмнени билдирет?

Авторлор щелочтук чөйрөдө болжол менен 120 mV dec⁻¹ деңгээлиндеги Tafel slopes Volmer-limited mechanism менен байланыштуу болушу мүмкүн экенин белгилешет.

Volmer баскычы щелочтук HERдин алгачкы water dissociation жана surface hydrogen adsorption этабын билдирет. Ошондуктан 113–130 mV dec⁻¹ аралыгына өскөн slopes авторлор тарабынан CQDлер суунун молекуласынын алгачкы adsorption/activation этабын кыйындатып жатканына ишара кылган далил катары чечмеленген.

Бирок Tafel slope өзү эле механизм атомдук деңгээлде так Volmer баскычы менен чектелгенин далилдебейт. Булак да муну “associated with” жана “suggests” деңгээлинде айтат.

Цинк коррозиясынын азайганы кантип көрсөтүлгөн?

Цинк коррозиясы potentiodynamic polarisation, electrochemical impedance spectroscopy жана SEM менен изилденген; CQD камтыган электролиттерде коррозия тогунун төмөндөшү, Nyquist жарым тегерегинин жана charge-transfer resistanceтын өсүшү, ошондой эле цинк бетинин компакттуу бойдон калышы коррозия басаңдаганын колдогон.

Charge-transfer resistance эмнени билдирет?

Electrochemical impedance spectroscopyде \(R_{ct}\), electrode/electrolyte interface аркылуу charge-transfer reaction жолуккан эффективдүү каршылык менен байланыштуу.

Бул экспериментте:

\[ R_{ct,\mathrm{KOH}}=1.35\ \Omega \]

болсо CQD кошулганда:

\[ 2.97,\ 3.80,\ 3.26\ \Omega \]

маанилери алынган.

Эң жогорку маани:

\[ R_{ct}=3.80\ \Omega \]

менен 1,0 mg CQD шартында.

Коррозия сыяктуу керексиз faradaic charge-transfer processes үчүн чоңураак \(R_{ct}\) интерфейс аркылуу реакция кыйындаганын жана corrosion kinetics жайлаганын колдогон көрсөткүч.

Коррозияны ингибирлөө натыйжалуулугу кантип эсептелген?

Булак Equation (1)ди:

\[ R_P= \frac{R_{ct}-R'_{ct}}{R_{ct}} \tag{1} \]

түрүндө берет.

Бул жерде:

• \(R_{ct}\): CQD камтыган электролитте өлчөнгөн charge-transfer resistance,
• \(R'_{ct}\): pristine 6 M KOH ичиндеги charge-transfer resistance,
• \(R_P\): булак теңдемесиндеги inhibitor-efficiency ratio.

Table 3 жыйынтыгы пайыз менен берилгендиктен, пайыздык түрү:

\[ R_P(\%)= \frac{R_{ct}-R'_{ct}}{R_{ct}}\times100 \]

деп окулушу керек.

Мисалы, 1,0 mg CQD үчүн:

\[ R_P= \frac{3.80-1.35}{3.80} = 0.6447 \]

жана:

\[ R_P(\%)\approx64.47\%. \]

Бул жердеги ×100 көрсөтүүсү Table 3төгү пайыздык маанини түшүндүрүү үчүн керек. Булак PDFдеги Equation (1) сүрөтүндө ×100 фактору көрүнүктүү түрдө жазылган эмес; ошондуктан бул пункт булактагы бирдик/пайыз тактыгы катары сакталууга тийиш.

Булактын ичиндеги белги боюнча эскертүү: Table 3 жана текст \(E_{\mathrm{corr}}\) маанилерин оң 1,58–1,50 V деп берет. Бирок булак Figure 4aнын “Potential (V) vs RHE” огу коррозия аймагын болжол менен −1,6 менен −1,5 V ортосунда көрсөтөт. Макала бул белги айырмасын түшүндүрбөйт. Verianla таблица маанилерин булакта жазылгандай сактап, белгини өз алдынча өзгөртпөйт.

SEM беттик сүрөттөрү эмнени көрсөттү?

Pristine zinc foil polarisation алдында салыштырмалуу жылмакай жана компакттуу көрүнөт.

6 M KOHда polarisationдан кийин цинк бетинде:

• irregular deposits,
• терең жаракалар,
• heterogeneous corrosion features,
• rough жана fragmented morphology

байкалган.

0,5 mg CQD менен surface damage азайган, 1,0 mg CQDде эң uniform жана compact беттик көрүнүш алынган.

1,5 mg CQDде бет pristine KOHга караганда жакшыраак болсо да, 1,0 mgга салыштырганда көбүрөөк irregular жана rough болгон.

Бул SEM байкоосу 1,0 mgдагы максималдуу \(R_{ct}\) жана zeta potential менен бир эле optimum чекитке ишара кылат.

CQDлер HER жана коррозияны басаңдатуу механизмин кантип түшүндүрүшөт?

Авторлор сунуштаган механизм боюнча oxygen-functionalised CQDлер zinc/электролит интерфейсиндеги electrical double layer менен local charge distributionду өзгөртөт, суунун активдешүүсүн жана charge transferди жайлатат жана цинк бетинде жарым-жартылай коргоочу, туруктуураак interfacial environment түзүп, HERди да, коррозияны да азайтат.

Бул түшүндүрмө төрт эксперименттик байкоо тобун бириктирет:

• zeta potentialдын күчтүү өзгөрүшү,
• HER onset жана Tafel slope өсүшү,
• \(R_{ct}\) жогорулашы,
• SEMде цинк бетинин жылмакайыраак калышы.

Ошондуктан булак жүрүм-турумду жөн гана “иондук өткөрүмдүүлүк төмөндөгөндүктөн HER азайды” деп түшүндүрбөйт. Айрыкча 0,5 mg CQDде conductivity pristine KOHдан жогору болгонуна карабастан HER дагы эле басаңдайт. Бул жыйынтык bulk ionic transport жалгыз аныктоочу эмес экенин жана interfacial electrostatic/surface effects маанилүү экенин колдойт.

Эмне үчүн жалпы optimum 1,0 mg CQD болсо, HER жагынан 1,5 mg күчтүүрөөк?

Анткени оптималдуу электролит HERди максималдуу басаңдаткан электролит гана эмес; иондук өткөрүмдүүлүктү, CQD дисперсиясынын туруктуулугун, цинктин коррозияга каршылыгын жана толук клетканын поляризациясын бирге кабыл алынуучу деңгээлде кармаган шарт талап кылынат жана бул көп-параметрлүү тең салмак изилдөөдө 1,0 mg CQDде алынган.

1,5 mg CQDде:

• HER onset potential 291 mV менен эң жогорку,
• \(\eta_{10}=477\) mV менен эң жогорку,
• Tafel slope 130 mV dec⁻¹ менен эң жогорку.

Бирок ошол эле шартта:

• zeta potential +48,5тен +40,4 mV ге түшөт,
• conductivity 453 mS cm⁻¹ ге төмөндөйт,
• \(R_{ct}\) 3,80ден 3,26 Ωга түшөт,
• corrosion inhibition %64,47ден %58,59га төмөндөйт,
• SEM surface 1,0 mg шартка караганда көбүрөөк irregular болот.

Ошондуктан изилдөө “максималдуу CQD жүктөмү оптималдуу” деген жыйынтыкка келбейт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Лимон кабыгынан CQD кантип синтезделген?

CQD синтезинде лимон кабыгы көмүртек прекурсору катары колдонулган; кислота менен алдын ала иштетүү, sodium hypochlorite менен кычкылдандыруучу иштетүү жана 180 °Cде 12 сааттык hydrothermal treatmentтен кийин продукт жуулуп, центрифугаланып жана кургатылган.

Булак өзгөчө organic ligand, surfactant же structure-directing agent колдонулбаганын белгилейт. Ошондуктан байкалган CQD морфологиясы hydrothermal carbonisation жана oxidation процесстери менен байланыштырылган.

CQD nanofluid электролиттери кантип даярдалган?

0,5, 1,0 же 1,5 mg CQD өз-өзүнчө:

\[ 20\ \mathrm{mL}\ 6\ \mathrm{M\ KOH} \]

ичине дисперсияланган.

Дисперсиялоо S 15 H Elmasonic bath ultrasonicator менен жүргүзүлгөн.

Zeta potential жана conductivity Malvern ZetaSizer, model MAL1129694 менен мүнөздөлгөн.

Физика-химиялык мүнөздөө приборлору

HER электрохимиялык түзүлүшү

Glassy-carbon иштөөчү электроддун диаметри 3 mm.

Электрод алгач:

• 0,05 µm alumina slurry,
• 0,3 µm alumina slurry

менен жылмаланып; DI water менен тазаланып, ambient temperatureда кургатылган.

Catalyst ink:

• 5 mg, %20 commercial Pt/C,
• 50 µL Nafion,
• 100 µL ethanol

менен даярдалган.

Үч-электроддук система:

• working: Pt/C-coated glassy carbon,
• counter: Pt foil,
• reference: Ag/AgCl

түрүндө.

HER linear sweep voltammetry:

\[ 5\ \mathrm{mV\,s^{-1}} \]

scan rate менен жүргүзүлгөн.

Булак HER polarization curves үчүн iR compensation колдонулбаганын атайын белгилейт. Бул маанилүү; measured potentials эритмедеги ohmic drop таасири толугу менен алынып салынган маанилер катары каралбашы керек.

Коррозия сыноосу

Коррозия potentiodynamic polarization:

• working electrode: zinc foil,
• counter electrode: Pt foil,
• reference: Ag/AgCl,
• scan rate: 1 mV s⁻¹,
• potential window: −0,3тен +0,5 V vs. open-circuit potential

шартында жүргүзүлгөн.

Бардык electrochemical measurements VSP-3e multichannel potentiostat/galvanostat менен аткарылган.

Толук цинк–аба клеткасы кантип курулган?

Homemade ZABдагы zinc foil anode калыңдыгы:

\[ 0.25\ \mathrm{mm} \]

деп берилген.

Air cathode ink:

• 12 mg %3 Pd/C,
• 8 mg carbon black,
• 10 µL Nafion,
• бир нече тамчы ethanol

аралашмасынан даярдалып, nickel current collector үстүнө drop-cast кылынган.

Электрод:

\[ 80^\circ\mathrm{C} \]

air ovenда кургатылган.

Гальваностатикалык cycling шарттары

Current density:

\[ J=5\ \mathrm{mA\,cm^{-2}} \]

туруктуу кармалган.

Ар бир cycle:

• 10 мүнөт charge,
• 10 мүнөт discharge

pulseларынан турат.

Булактагы Figure 7нин убакыт огу болжол менен 0–14 саат аралыгын камтыйт. Ошондуктан бул сыноо лабораториялык масштабдагы кыска/орто мөөнөттүү cycling comparison; өтө узак service-life ырастоосу эмес.

Толук клетканын кубат тыгыздыгы кантип эсептелген?

Булак areal power density үчүн:

\[ P=VJ \]

катышын колдонот.

Бул жерде:

• \(P\): areal power density, бирдиги mW cm⁻²,
• \(V\): discharge voltage, бирдиги V,
• \(J\): applied current density, бирдиги mA cm⁻².

Бирдик текшерүүсү:

\[ \mathrm{V}\times\mathrm{mA\,cm^{-2}} = \mathrm{mW\,cm^{-2}}. \]

Ошондуктан теңдеме өлчөмдүк жактан шайкеш.

Кубат тыгыздыгынын өзгөрүшү булакта болжол менен %22 өсүш деп берилген.

Булак маанилери боюнча текшерилгенде:

\[ \frac{5.5-4.5}{4.5}\times100 \approx22.2\%. \]

Бул эсеп жаңы эксперименттик маалымат эмес; булакта берилген болжолдуу кубат тыгыздыктарынын арифметикалык эквиваленти.

Cyclingден кийинки цинк бети

Таза 6 M KOH менен cyclingден кийин zinc foil бетинде:

• тыгыз deposit formation,
• plate-like irregular agglomerates,
• heterogeneous surface coverage,
• uncontrolled zinc dissolution/deposition

байкалган.

1,0 mg CQD камтыган электролитте цинк бети көбүрөөк compact, homogeneous жана азыраак corrosion product камтыган морфология көрсөткөн.

Бул сүрөттөр CQD cycling учурунда interface degradationды азайтат деген түшүндүрмөнү колдойт.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Лимон кабыгынан орточо өлчөмү болжол менен 7,41 ± 2,48 nm болгон CQDлер гидротермалдык ыкма менен өндүрүлгөн.
• CQD бетинде FTIR аркылуу кычкылтек камтыган функционалдык топтор байкалган.
• CQD кошулмасы 6 M KOHдун zeta potential жана ionic conductivity маанилерин өзгөрткөн.
• HER LSV/Tafel эксперименттеринде CQD көлөмү өскөн сайын HER kinetics жайлаган.
• 1,5 mg CQD изилденген шарттардын ичинде эң күчтүү HER suppression камсыз кылган.
• Zinc corrosion өлчөөлөрүндө 1,0 mg CQD эң жогорку \(R_{ct}\) жана corrosion-inhibition efficiency маанисин берген.
• SEM сүрөттөрү 1,0 mg CQD шартында zinc surface damage азайганын колдойт.
• 1,0 mg CQD камтыган толук клеткада charge–discharge polarization азайып, орточо кубат тыгыздыгы болжол менен 4,5тен 5,5 mW cm⁻² ге жогорулаган.
• Изилдөө CQDлер zinc–air battery electrolyte additive катары лабораториялык масштабда пайдалуу болушу мүмкүн экенин көрсөтөт.

Изилдөө колдобогон жыйынтыктар

• Бул изилдөө кванттык компьютер же qubit технологиясы жөнүндө эмес.
• HER CQD quantum confinement себептүү басаңдаганы түз көрсөтүлгөн эмес.
• CQD surface electronic states XPS менен сандык түрдө ырасталган эмес.
• Сунушталган interface механизми атомдук масштабда түз сүрөткө алынган же in situ spectroscopy менен такталган эмес.
• 1,5 mg CQD жалпы алганда эң жакшы электролит эмес; HER suppression жагынан гана эң күчтүү сыноо шарты.
• 1,0 mg optimum мааниси бардык KOH көлөмдөрү, бардык CQD синтездери же бардык zinc–air геометриялары үчүн универсалдуу экени далилденген эмес.
• Болжол менен 14 сааттык cycling жыйынтыгы өтө узак мөөнөттүү батарея өмүрүн далилдебейт.
• Коммерциялык pouch-cell, чоң формат же өнөр жай zinc–air системаларын масштабдоо жүргүзүлгөн эмес.
• Булак негизги жыйынтык таблицаларында extensive replicate/statistical-significance талдоосун билдирбейт; ошондуктан кичине натыйжалуулук айырмачылыктары бардык өндүрүш партияларында бирдей калат деп кабыл алууга болбойт.
• CQDлер цинк dendrite пайда болушун узак мөөнөттө толугу менен алдын алганы далилденген эмес.

Изилдөөнүн негизги илимий билдирүүсү

Изилдөөнүн эң маанилүү жыйынтыгы “CQD канчалык көп болсо, ошончолук жакшы” эмес.

Негизги жыйынтык электролит кошулмасынын көлөмү:

• surface charge regulation,
• colloidal stability,
• ionic conductivity,
• HER kinetics,
• zinc corrosion resistance

ортосунда тең салмак түзөрү.

1,0 mg CQD жүктөмү бул эксперименттик система үчүн эң жакшы жалпы тең салмакты түзгөн.

Илимий чектөөлөр

Изилдөөнүн ичинде өзүнчө аталыштагы кеңири “Limitations” бөлүмү жок. Бирок булак текстинен жана колдонулган ыкмалардан чыгарууга боло турган ачык чектөөлөр төмөнкүлөр:

• FTIR беттик функцияларды көрсөткөнү менен XPS жана Raman сыяктуу кошумча талдоолор жүргүзүлгөн эмес.
• HER сыноосу цинк бетинде эмес, Pt/C-coated glassy carbon үстүндө жүргүзүлгөн.
• Proposed mechanism түз атомдук/in situ далил эмес.
• Full-cell изилдөөсү homemade laboratory ZAB менен чектелет.
• Figure 7 болжол менен 14 сааттык cycling терезесин берет.
• Узак мөөнөттүү capacity retention же жүздөгөн cycle үчүн quantitative retention мааниси берилген эмес.
• Data publicly available эмес; pending patent process себептүү request боюнча берилери айтылган.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Түпнуска аталышы: Biomass-Derived Carbon Quantum Dots as Multifunctional Electrolyte Additives for Mitigating Hydrogen Evolution and Zinc Corrosion in Rechargeable Zinc–Air Batteries

Авторлор: Mustapha Balarabe Idris; Indiphile Nompetsheni; Bhekie B. Mamba; Xolile Fuku.

Corresponding authors: Mustapha Balarabe Idris жана Xolile Fuku.

Бирдей салым: Булакта биргелешкен биринчи автор/equal-contribution белгиси көрсөтүлгөн эмес.

Мекеме: Institute for Nanotechnology and Water Sustainability, College of Science, Engineering and Technology, University of South Africa, Florida Science Campus, Johannesburg 1710, South Africa.

Булак түрү: Эксперименттик изилдөө макаласы.

Рецензия статусу: Рецензияланган журналда жарыяланган макала.

Журнал: Energies.

Басмакана: MDPI.

Том / сан / макала номери: 19(13), 3209.

DOI: 10.3390/en19133209.

Received: 30 Май 2026.

Revised: 20 Июнь 2026.

Accepted: 2 Июль 2026.

Published: 7 Июль 2026.

Расмий шилтеме: https://doi.org/10.3390/en19133209

Лицензия: Creative Commons Attribution, CC BY.

Academic Editor: Kwok Tong Chau.

Атайын чыгарылыш: Electrochemical Technologies for Energy Conversion and Storage.

Негизги материал: Лимон кабыгынын калдыгынан гидротермалдык жол менен өндүрүлгөн carbon quantum dots.

Негизги электролит: 6 M KOH.

CQD жүктөмдөрү: 0,5 mg, 1,0 mg жана 1,5 mg CQD / 20 mL 6 M KOH.

Негизги мүнөздөө: FTIR, HR-TEM, UV–Vis, zeta potential жана ionic conductivity.

HER ыкмасы: Pt/C-coated glassy carbon working electrode үстүндө LSV, 5 mV s⁻¹; Pt counter, Ag/AgCl reference. HER polarisation curves iR compensation жок жазылган.

Коррозия ыкмасы: Zinc-foil working electrode үстүндө potentiodynamic polarisation жана EIS; polarisation scan rate 1 mV s⁻¹, −0,3–0,5 V vs open-circuit potential.

Electrochemical instrumentation: VSP-3e multichannel potentiostat/galvanostat.

Толук клетка: 0,25 mm polished zinc foil anode жана Pd/C-based air cathode камтыган homemade rechargeable zinc–air battery.

Air cathode: 12 mg %3 Pd/C + 8 mg carbon black + 10 µL Nafion + ethanol; nickel current collector; 80 °C кургатуу.

Cycling: 5 mA cm⁻²; 10 мүнөт charge + 10 мүнөт discharge pulse.

CQD орточо бөлүкчө диаметри: 7,41 ± 2,48 nm.

Эң күчтүү HER suppression: 1,5 mg CQD; HER onset 291 mV, \(\eta_{10}=477\) mV, Tafel slope 130 mV dec⁻¹.

Жалпы optimum жүктөм: 1,0 mg CQD; zeta potential +48,5 mV, \(R_{ct}=3,80\) Ω, corrosion inhibition %64,47 жана толук клеткада төмөнүрөөк polarization.

Equation (1) көрсөтүү эскертүүсү: Булак inhibition efficiency теңдемесин \((R_{ct}-R'_{ct})/R_{ct}\) түрүндө көрсөтөт; Table 3 маанилери пайыз болгондуктан пайыздык форма үчүн катыш ×100 менен берилет. Булак equation сүрөтүндө ×100 фактору көрүнбөйт.

\(E_{\mathrm{corr}}\) белги эскертүүсү: Булак Table 3 жана текстте 1,58–1,50 V оң маанилерди тизмектесе, Figure 4a потенциал огу corrosion regionду терс RHE potentialsда көрсөтөт. Булак бул көрсөтүү айырмасын түшүндүрбөйт; маанилер Verianla тарабынан үнсүз оңдолгон эмес.

Full-cell жыйынтыгы: Pristine 6 M KOH үчүн ~1,80 V charge cut-off, ~0,70 V discharge cut-off, ~1,10 V voltage gap жана ~4,5 mW cm⁻² average operating power density; 1,0 mg CQD + 6 M KOH үчүн тиешелүүлүгүнө жараша ~1,55 V, ~1,10 V, ~0,45 V жана ~5,5 mW cm⁻².

Figure 6 эскертүүсү: Макаладагы proposed-plausible-mechanism сүрөтү авторлор тарабынан Gemini AI колдонулуп түзүлгөнү ачык айтылган концептуалдык фигура. Verianla ичинде бул фигура пиксел түрүндө көчүрүлгөн эмес; булак колдогон илимий байланыштар гана өз алдынча inline SVG менен кайра курулган.

Data Availability: Data request боюнча берилет; pending patent process себептүү public түрдө жеткиликтүү эмес.

Institutional Review Board Statement: Not applicable.

Каржылоо: University of South Africa, Institute for Nanotechnology and Water Sustainability (iNanoWS), College of Science, Engineering and Technology тарабынан изилдөө мүмкүнчүлүктөрү жана каржылык колдоо берилген.

Acknowledgments: Авторлор Grammarlyни spelling, grammar, sentence structuring жана punctuation checks үчүн; Gemini AIды image generation үчүн колдонушканын, натыйжаларды андан кийин өздөрү карап чыгып түзөткөнүн жана макаланын мазмуну үчүн жоопкерчиликти өздөрү аларын билдирген.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор белгилүү competing financial interest же изилдөөгө таасир этиши мүмкүн болгон personal relationship жок экенин билдиришкен.

Авторлордун салымы: Mustapha Balarabe Idris conceptualisation, data curation, formal analysis, investigation, validation, writing жана editing; Indiphile Nompetsheni synthesis, formal analysis жана investigation; Bhekie B. Mamba editing, funding acquisition жана project administration; Xolile Fuku editing, funding acquisition, project administration, resources, supervision, visualisation жана writing–review/editing милдеттерин аткарган.