Nukta za kwanta za kaboni (carbon quantum dots, CQDs) katika utafiti huu ni chembe za kaboni za kiwango cha nanomita zilizosanisiwa kwa njia ya hidrotermali kutoka taka za maganda ya limau na kuongezwa kama kiongeza-nanomateriali katika elektroliti ya 6 M KOH ya betri ya zinki–hewa inayoweza kuchajiwa tena. Lengo la utafiti ni kuchunguza kwa majaribio kama CQDs zinaweza kubadilisha kiunganishi cha zinki/elektroliti na hivyo kupunguza kasi ya mmenyuko wa pembeni wa uzalishaji wa hidrojeni (hydrogen evolution reaction, HER), kupunguza kutu ya zinki, na jinsi hali hiyo inavyoonekana katika tabia ya kuchaji–kutoa chaji ya seli kamili halisi ya zinki–hewa.

Katika utafiti, kipenyo cha wastani cha chembe za CQD zilizotengenezwa kutoka maganda ya limau kwa TEM kilipatikana kuwa 7,41 ± 2,48 nm. Uchambuzi wa FTIR ulionyesha kuwepo kwa vikundi tendaji vyenye oksijeni kwenye uso wa CQD, vikiwemo hidroksili, kabonili/kaboksili na aina za C–O/C–O–C. Kemia hii ya uso ndiyo kipengele kikuu kilichotumiwa na watafiti kueleza mabadiliko ya usambazaji wa chaji katika kiunganishi cha elektroliti na uwezo wa CQD kutawanyika katika mazingira ya alkali yenye maji.

Wakati zeta potential ya elektroliti safi ya 6 M KOH ilikuwa −28,2 mV, baada ya kuongeza 0,5, 1,0 na 1,5 mg CQD zilipimwa thamani za +45,4, +48,5 na +40,4 mV mtawalia. Ionic conductivity ilikuwa 460 mS cm⁻¹ kwa KOH safi, 488 mS cm⁻¹ kwa 0,5 mg CQD, 478 mS cm⁻¹ kwa 1,0 mg na 453 mS cm⁻¹ kwa 1,5 mg. Matokeo haya yanaonyesha kwamba kuongeza kiasi cha CQD hakusababishi uboreshaji wa mwelekeo mmoja; katika viwango vya chini–kati kiunganishi na usafirishaji wa ioni hubadilika kwa manufaa, huku katika upakiaji mkubwa mwingiliano wa chembe na aggregation ya sehemu ukiweza kupunguza faida.

Katika majaribio ya HER, uzalishaji wa hidrojeni ulizidi kuwa mgumu kadiri kiasi cha CQD kilivyoongezeka. Kwa namna ya uwasilishaji iliyotumiwa na makala, HER onset potential iliongezeka kutoka 146 mV hadi 217, 282 na 291 mV; overpotential katika msongamano wa mkondo wa 10 mA cm⁻² kutoka 398 mV hadi 434, 463 na 477 mV; na Tafel slope kutoka 82 mV dec⁻¹ hadi 113, 126 na 130 mV dec⁻¹. Kwa hiyo 1,5 mg CQD ndiyo hali yenye nguvu zaidi iliyochunguzwa kwa upande wa kuzuia HER.

Hata hivyo, katika majaribio ya kutu matokeo bora zaidi yalipatikana katika 1,0 mg CQD. Charge-transfer resistance \(R_{ct}\) ilikuwa 1,35 Ω katika 6 M KOH safi lakini ikaongezeka hadi 3,80 Ω katika elektroliti yenye 1,0 mg CQD, na maximum corrosion inhibition efficiency iliyotolewa na chanzo ilikuwa %64,47. Katika 1,5 mg CQD, \(R_{ct}\) ilishuka hadi 3,26 Ω na ufanisi wa kuzuia kutu ukashuka hadi %58,59. Kwa hiyo watafiti walitathmini upakiaji wa 1,0 mg kuwa uwiano bora zaidi wa jumla kati ya kuzuia HER, kuzuia kutu, uthabiti wa koloidi na usafirishaji wa ioni.

Katika seli kamili ya zinki–hewa ya kiwango cha maabara iliyokusanywa kwa elektroliti yenye 1,0 mg CQD, voltage za cut-off za charge/discharge zilikuwa takriban 1,55/1,10 V, wakati katika seli ya 6 M KOH safi zilipimwa takriban 1,80/0,70 V. Hivyo pengo la voltage la charge–discharge lilipungua kutoka takriban 1,10 V hadi 0,45 V. Average operating power density pia iliongezeka kutoka takriban 4,5 mW cm⁻² hadi 5,5 mW cm⁻²; chanzo kinaripoti hili kama ongezeko la nguvu la takriban %22.

Ingawa matokeo haya yana matumaini, kikomo cha utafiti ni muhimu. Utafiti ulifanywa kwenye seli za kiwango cha maabara; Figure 7 inaonyesha dirisha la galvanostatic cycling la takriban saa 14. Kwa hiyo matokeo hayathibitishi maisha ya betri ya miezi mingi au miaka, hali za uzalishaji wa mfululizo, wala kwamba utendaji huo huo utadumishwa katika mifumo ya kibiashara ya zinki–hewa. Zaidi ya hayo, mekanizimu ya waandishi kuhusu jinsi CQD zinavyopanga electrical double layer na uso wa zinki ni mekanizimu ya mantiki iliyopendekezwa inayolingana na matokeo ya majaribio; haipaswi kuwasilishwa kama mekanizimu pekee iliyothibitishwa moja kwa moja katika kiwango cha atomu.

Nukta za kwanta za kaboni zinafanya nini hasa katika utafiti huu?

Nukta za kwanta za kaboni katika utafiti huu hufanya kazi kama kiongeza cha elektroliti badala ya kuwa elektrodi amilifu ya betri; kupitia chembe za nanokaboni zilizotawanywa ndani ya 6 M KOH, zinalenga kubadilisha usambazaji wa chaji, usafirishaji wa ioni na charge-transfer kinetics katika kiunganishi cha zinki/elektroliti ili kupunguza HER na kutu.

Neno “nukta ya kwanta” linamaanisha nini?

Nukta za kwanta za kaboni ni chembe zenye msingi wa kaboni zenye ukubwa wa nanomita chache. Jina “Quantum dot” linahusiana na muundo wa kielektroni na sifa za macho katika kiwango cha nanomita; hata hivyo, vipimo vikuu vya makala hii havihusu quantum coherence, tabia ya qubit au ukokotoaji wa kwanta.

Katika utafiti, sifa zifuatazo zinasisitizwa hasa kueleza ufanisi wa CQD kama kiongeza cha elektroliti:

• ukubwa wa kiwango cha nanomita,
• uwiano mkubwa wa uso/chembe,
• vikundi tendaji vya uso vyenye oksijeni,
• uwezo wa kutawanyika katika mazingira ya alkali yenye maji,
• mwingiliano mkubwa na kiunganishi cha kielektrokemia.

Makala haikupima electronic band gap ya CQD, haikukokotoa quantum-confinement energy na haikuripoti photoluminescence quantum yield. Kwa hiyo kueleza uboreshaji wa betri katika utafiti huu kwa kusema “quantum confinement ilisimamisha HER moja kwa moja” kungeenda nje ya chanzo. Tafsiri ya majaribio imejengwa hasa juu ya kemia ya uso na upangaji wa kiunganishi cha kielektrokemia.

CQD zina ukubwa gani?

Katika uchambuzi wa ukubwa wa chembe kutoka picha za TEM, kipenyo cha wastani kilipatikana kuwa:

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

.

Hapa 7,41 nm inaonyesha kipenyo cha wastani cha chembe kilichopimwa, huku ±2,48 nm ikiashiria upana wa usambazaji/thamani ya kutokuwa na uhakika iliyoripotiwa katika chanzo. Picha za TEM zilitaja kwamba chembe ni quasi-spherical lakini pia zinaonyesha aggregation dhahiri.

Ni vikundi gani vya kemikali vilionekana kwenye uso wa CQD?

Waandishi wanatathmini upana wa bendi za FTIR kama uchunguzi unaoashiria kwamba muundo wa kaboni haujawa graphitized kikamilifu na kwamba uzalishaji wa hidrotermali wa joto la chini unaendana na muundo wa kaboni wa amorphous/turbostratic.

Kuna kikomo muhimu cha mbinu hapa: FTIR hutoa taarifa kuhusu uwepo wa vikundi tendaji lakini haiwezi peke yake kutatua kikamilifu hali sahihi za vifungo na kiasi cha elementi kwenye uso. Makala yenyewe pia inasema wazi kwamba mbinu saidizi kama XPS na Raman spectroscopy zingetoa taarifa za kina zaidi kuhusu surface composition na structural disorder.

Spektra ya UV–Vis ilionyesha nini?

Katika elektroliti za KOH zenye CQD, absorption kubwa ilionekana katika eneo la ultraviolet pamoja na absorption tail pana inayoenea hadi eneo linaloonekana.

Bendi ya takriban 230–280 nm ilihusishwa na chanzo na:

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

transitions, yaani sp² C=C carbon domains.

Absorption pana inayoenea hadi eneo linaloonekana ilielezwa kwa:

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

transitions zinazohusiana na oxygen-containing surface states kama C=O na C–O.

Kadiri kiasi cha CQD kilivyoongezeka, absorption intensity iliongezeka. Kutokuwepo kwa absorption edge kali kulitafsiriwa na waandishi kuwa kunalingana na disordered carbon domains na heterogeneous surface states.

Kwa nini mmenyuko wa uzalishaji wa hidrojeni ni tatizo katika betri ya zinki–hewa?

Katika mazingira yenye alkali kali ya betri ya zinki–hewa, anodi ya zinki inaposhiriki katika mmenyuko unaotakiwa wa redox wa zinki, gesi ya hidrojeni ya pembeni pia inaweza kutokea kutokana na upunguzaji wa maji; mmenyuko huu wa pembeni unaweza kutumia elektroliti, kusababisha kutu ya zinki, na kuchangia kuzorota kwa haraka kwa uwezo wa betri kwa kuchochea passivation ya uso na uundaji wa dendriti.

Chanzo kinatoa potential ya kawaida ya elektrodi kwa Zn/Zn²⁺ kuwa −1,26 V vs. SHE na kwa water reduction katika pH 14 kuwa −0,83 V vs. SHE. Kwa sababu zinki ina potential hasi zaidi, HER ni mchakato wa pembeni unaowezekana kithermodinamiki katika hali za alkali kali.

Katika betri ya zinki–hewa si upande wa anodi pekee wenye tatizo. Katika air cathode, oxygen reduction reaction (ORR) hutokea wakati wa discharge, na oxygen evolution reaction (OER) wakati wa charge, na kinetiki polepole za mmenyuko hii pia hupunguza utendaji wa mfumo. Hata hivyo, lengo kuu la utafiti wa makala hii ni zinc anode–electrolyte interface, HER na zinc corrosion.

Je, HER ilipimwa moja kwa moja kwenye uso wa zinki?

Hapana. Hili ni muhimu kwa tafsiri sahihi ya jaribio.

Katika majaribio ya HER LSV na Tafel, juu ya 3 mm glassy-carbon electrode iliyotumika kama working electrode iliwekwa catalyst ink yenye:

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

kwa drop-cast.

Counter electrode ni Pt foil, reference electrode ni Ag/AgCl.

Kwa hiyo mabadiliko ya HER onset, \(\eta_{10}\) na Tafel-slope katika Table 2 yanaonyesha jinsi CQD-modified electrolyte inavyobadilisha tabia ya HER kwenye uso wa kichocheo cha Pt/C.

Athari ya kutu kwenye zinki ilichunguzwa kando kwa majaribio ya potentiodynamic-polarisation na EIS kwa kutumia zinc foil kama working electrode.

Makundi haya mawili ya majaribio yanakamilishana lakini si jaribio moja.

Mabadiliko ya zeta potential kutoka −28,2 mV hadi +48,5 mV yanaeleza nini?

Mabadiliko ya ishara na ukubwa wa zeta potential yanaonyesha kwamba kuongezwa kwa CQD kulibadilisha sana mazingira ya kielektrostatiki ya chembe/kiunganishi na kwamba katika upakiaji wa 1,0 mg, dispersion ya CQD ilifikia hali ambayo chanzo kilitathmini kuwa thabiti zaidi.

Chanzo kinahusisha zeta potential hasi katika KOH safi na kutawala kwa ioni za OH⁻ ndani ya electrical double layer.

Baada ya kuongezwa CQD, mpito kwenda kwenye thamani chanya sana unaelezwa na waandishi kupitia protonated/charged functionalities kwenye uso wa CQD, cation adsorption na uundaji wa electrical-double-layer kuzunguka functionalised carbon surface.

Tafsiri hii ina mantiki kwa kemia ya uso, lakini utafiti haukufanya in situ spectroscopy inayoonyesha moja kwa moja aina mahususi za ioni zilizo adsorbishwa kwenye uso katika kiwango cha atomu. Kwa hiyo, ni ioni ipi inayofungamana na kundi gani tendaji kwa jiometri gani ya kifungo haijatatuliwa kimajaribio.

Kwa nini ionic conductivity inaongezeka katika 0,5 mg lakini inapungua katika 1,5 mg?

Kulingana na tafsiri ya chanzo, katika upakiaji mdogo wa CQD, ion dispersion, ion hopping na local charge redistribution kuzunguka solid–liquid interface vinaweza kurahisisha usafirishaji wa ioni. Matokeo yake conductivity:

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

iliongezeka.

Hata hivyo, kadiri kiasi cha CQD kinavyoongezeka, mwingiliano wa chembe–chembe na partial aggregation vinaweza kuongezeka. Katika 1,5 mg, kushuka kwa zeta potential kutoka +48,5 mV hadi +40,4 mV na kushuka kwa conductivity hadi 453 mS cm⁻¹ kuliwasilishwa kama matokeo yanayounga mkono tafsiri hii.

Kwa hiyo hitimisho kwamba “CQD nyingi zaidi daima humaanisha elektroliti bora zaidi” si sahihi.

HER onset potential, overpotential na Tafel slope hupima nini?

HER onset potential huonyesha eneo la potential ambako uzalishaji wa hidrojeni unaanza kuwa dhahiri; \(\eta_{10}\) huonyesha msukumo wa ziada wa kielektrokemia unaohitajika kufikia 10 mA cm⁻²; Tafel slope hutambulisha jinsi mkondo unavyobadilika haraka na potential na jinsi kinetiki ya mmenyuko inavyosonga kwa urahisi au ugumu.

Kwa kuwa chanzo kinaripoti thamani hizi zote kama ukubwa chanya wa mV, Verianla inadumisha uwasilishaji huo.

Kadiri kiasi cha CQD kinavyoongezeka, kuhitajika kwa electrochemical driving force kubwa zaidi kufikia msongamano uleule wa mkondo wa HER kunaonyesha kuwa HER imekuwa ngumu zaidi.

\(\eta_{10}\) ya juu zaidi na Tafel slope ya juu zaidi zinaonekana katika hali ya 1,5 mg CQD. Kwa hiyo ikiwa lengo ni HER suppression pekee, 1,5 mg ndiyo mfumo wenye nguvu zaidi.

Kuongezeka kwa Tafel slope hadi karibu 120 mV dec⁻¹ kunamaanisha nini?

Waandishi wanaeleza kwamba Tafel slopes za karibu 120 mV dec⁻¹ katika mazingira ya alkali zinaweza kuhusishwa na Volmer-limited mechanism.

Hatua ya Volmer ni hatua ya kwanza ya water dissociation na surface hydrogen adsorption katika HER ya alkali. Kwa hiyo slopes zilizoongezeka hadi 113–130 mV dec⁻¹ zilitafsiriwa na waandishi kama ushahidi unaoashiria kwamba CQD zinafanya hatua ya kwanza ya adsorption/activation ya molekuli ya maji kuwa ngumu zaidi.

Hata hivyo, Tafel slope pekee haithibitishi kwa uhakika kwamba mekanizimu imezuiliwa na hatua ya Volmer katika kiwango cha atomu. Lugha ya chanzo pia huiweka katika kiwango cha “associated with” na “suggests”.

Kupungua kwa kutu ya zinki kulionyeshwaje?

Kutu ya zinki ilichunguzwa kwa potentiodynamic polarisation, electrochemical impedance spectroscopy na SEM; katika elektroliti zenye CQD, kupungua kwa mkondo wa kutu, kuongezeka kwa nusu-duara ya Nyquist na charge-transfer resistance, pamoja na uso wa zinki kubaki compact zaidi, kuliunga mkono kuzuia kwa kutu.

Charge-transfer resistance inamaanisha nini?

Katika electrochemical impedance spectroscopy, \(R_{ct}\) inahusiana na ukinzani madhubuti unaokabiliwa na charge-transfer reaction inapopita kwenye electrode/electrolyte interface.

Katika jaribio hili:

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

na baada ya kuongeza CQD thamani:

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

zilipatikana.

Thamani ya juu zaidi:

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

iko katika hali ya 1,0 mg CQD.

Kwa faradaic charge-transfer processes zisizotakiwa kama kutu, \(R_{ct}\) kubwa zaidi ni kiashiria kinachounga mkono kwamba mmenyuko kupitia kiunganishi umekuwa mgumu na corrosion kinetics imepungua.

Ufanisi wa kuzuia kutu ulihesabiwaje?

Chanzo kinatoa Equation (1) kama:

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

.

Hapa:

• \(R_{ct}\): charge-transfer resistance iliyopimwa katika elektroliti yenye CQD,
• \(R'_{ct}\): charge-transfer resistance katika pristine 6 M KOH,
• \(R_P\): inhibitor-efficiency ratio katika equation ya chanzo.

Kwa kuwa matokeo ya Table 3 yameripotiwa kwa asilimia, uwakilishi wa asilimia unasomwa kama:

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

.

Kwa mfano, kwa 1,0 mg CQD:

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

na:

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

Uwakilishi wa ×100 hapa ni muhimu kueleza thamani ya asilimia katika Table 3. Katika picha ya Equation (1) ya PDF ya chanzo, kipengele ×100 hakijaandikwa kwa kuonekana; kwa hiyo hoja hii inapaswa kuhifadhiwa kama ufafanuzi wa kitengo/asilimia katika uwasilishaji wa chanzo.

Dokezo la ishara ndani ya chanzo: Table 3 na maandishi hutoa thamani za \(E_{\mathrm{corr}}\) kama 1,58–1,50 V chanya. Kwa upande mwingine, mhimili wa “Potential (V) vs RHE” wa Figure 4a unaonyesha corrosion region karibu −1,6 hadi −1,5 V. Makala haielezi tofauti hii ya ishara. Verianla inadumisha thamani za jedwali kama zilivyoandikwa katika chanzo na haibadilishi ishara kimya kimya.

Picha za uso za SEM zilionyesha nini?

Pristine zinc foil inaonekana kuwa laini na compact kiasi kabla ya polarisation.

Baada ya polarisation katika 6 M KOH, kwenye uso wa zinki zilionekana:

• irregular deposits,
• nyufa za kina,
• heterogeneous corrosion features,
• rough na fragmented morphology

.

Kwa 0,5 mg CQD, surface damage ilipungua, na katika 1,0 mg CQD uso uniform na compact zaidi ulipatikana.

Katika 1,5 mg CQD, uso ulikuwa bora kuliko pristine KOH lakini ulikuwa irregular na rough zaidi kuliko hali ya 1,0 mg.

Uchunguzi huu wa SEM unaelekeza kwenye optimum ileile ya 1,0 mg inayolingana na \(R_{ct}\) ya juu zaidi na zeta potential.

Mekanizimu ya CQD ya kuzuia HER na kutu inaelezwaje?

Kulingana na mekanizimu iliyopendekezwa na waandishi, oxygen-functionalised CQDs hubadilisha electrical double layer na local charge distribution katika kiunganishi cha zinc/elektroliti, hupunguza kasi ya uanzishaji wa maji na charge transfer, na kuunda interfacial environment iliyo thabiti zaidi na yenye ulinzi wa sehemu kwenye uso wa zinki, hivyo kupunguza HER na kutu.

Maelezo haya yanaunganisha makundi manne ya uchunguzi wa majaribio:

• mabadiliko makubwa ya zeta potential,
• kuongezeka kwa HER onset na Tafel slope,
• kuongezeka kwa \(R_{ct}\),
• uso wa zinki kubaki laini zaidi katika SEM.

Kwa hiyo chanzo hakielezi tabia hii tu kama “HER ilipungua kwa sababu ionic conductivity ilipungua”. Hasa katika 0,5 mg CQD, conductivity ni kubwa kuliko pristine KOH lakini HER bado inazuiwa. Matokeo haya yanaunga mkono kwamba bulk ionic transport si kigezo pekee na interfacial electrostatic/surface effects ni muhimu.

Kwa nini optimum ya jumla ni 1,0 mg CQD wakati 1,5 mg ina nguvu zaidi kwa HER?

Kwa sababu elektroliti optimum si ile inayozuia HER kwa kiwango cha juu zaidi pekee; inahitajika hali inayodumisha kwa pamoja ionic conductivity, uthabiti wa dispersion ya CQD, ukinzani wa zinki dhidi ya kutu na polarisation ya seli kamili katika viwango vinavyokubalika, na uwiano huu wa vigezo vingi ulipatikana katika 1,0 mg CQD.

Katika 1,5 mg CQD:

• HER onset potential ni ya juu zaidi kwa 291 mV,
• \(\eta_{10}=477\) mV ni ya juu zaidi,
• Tafel slope ni ya juu zaidi kwa 130 mV dec⁻¹.

Lakini katika hali hiyo hiyo:

• zeta potential hushuka kutoka +48,5 hadi +40,4 mV,
• conductivity hushuka hadi 453 mS cm⁻¹,
• \(R_{ct}\) hushuka kutoka 3,80 hadi 3,26 Ω,
• corrosion inhibition hushuka kutoka %64,47 hadi %58,59,
• SEM surface huwa irregular zaidi kuliko hali ya 1,0 mg.

Kwa hiyo utafiti hauhitimishi kwamba “upakiaji wa juu zaidi wa CQD ndio optimum”.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

CQD zilisanisiwaje kutoka maganda ya limau?

Katika usanisi wa CQD, maganda ya limau yalitumika kama chanzo cha kaboni; baada ya pretreatment ya asidi, oxidative treatment kwa sodium hypochlorite na hydrothermal treatment ya saa 12 katika 180 °C, bidhaa ilioshwa, ikasentrifugwa na kukaushwa.

Chanzo kinasisitiza kwamba organic ligand, surfactant au structure-directing agent haikutumiwa. Kwa hiyo morfolojia ya CQD iliyoonekana imehusishwa na michakato ya hydrothermal carbonisation na oxidation.

Elektroliti za CQD nanofluid ziliandaliwaje?

0,5, 1,0 au 1,5 mg CQD zilitawanywa kila moja ndani ya:

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

.

Utawanyaji ulifanywa kwa S 15 H Elmasonic bath ultrasonicator.

Zeta potential na conductivity zilitambuliwa kwa Malvern ZetaSizer, model MAL1129694.

Vifaa vya uainishaji wa kifizikia-kikemia

Mpangilio wa elektrokemia wa HER

Glassy-carbon working electrode ina kipenyo cha 3 mm.

Elektrodi ilisafishwa kwanza kwa:

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

kisha ikaoshwa kwa DI water na kukaushwa katika ambient temperature.

Catalyst ink iliandaliwa kwa:

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

.

Mfumo wa elektrodi tatu ulikuwa:

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

.

HER linear sweep voltammetry ilifanywa kwa:

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

scan rate.

Chanzo kinasisitiza kwamba kwa HER polarization curves iR compensation haikutumika. Hili ni muhimu; measured potentials hazipaswi kuonekana kama thamani ambazo athari ya ohmic drop ya suluhisho imeondolewa kikamilifu.

Jaribio la kutu

Potentiodynamic polarization ya kutu ilifanywa kwa:

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

.

Vipimo vyote vya electrochemical vilifanywa kwa VSP-3e multichannel potentiostat/galvanostat.

Seli kamili ya zinki–hewa ilijengwaje?

Katika homemade ZAB, unene wa zinc foil anode ulitolewa kuwa:

\[ 0.25\ \mathrm{mm} \]

.

Air cathode ink iliandaliwa kwa mchanganyiko wa:

• 12 mg %3 Pd/C,
• 8 mg carbon black,
• 10 µL Nafion,
• matone machache ya ethanol

na ikawekwa kwa drop-cast juu ya nickel current collector.

Elektrodi ilikaushwa katika:

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

air oven.

Hali za galvanostatic cycling

Current density iliwekwa kuwa:

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

.

Kila cycle ilikuwa na pulse za:

• dakika 10 charge,
• dakika 10 discharge

.

Chanzo kinaonyesha kwamba mhimili wa muda wa Figure 7 unafunika takriban saa 0–14. Kwa hiyo jaribio hili ni cycling comparison ya muda mfupi/kati katika kiwango cha maabara; si uthibitisho wa service-life ya muda mrefu sana.

Power density ya seli kamili ilihesabiwaje?

Chanzo kinatumia uhusiano:

\[ P=VJ \]

kwa areal power density.

Hapa:

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

Ukaguzi wa vitengo:

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

Kwa hiyo equation ina uwiano sahihi wa vipimo.

Mabadiliko ya power density yameelezwa katika chanzo kuwa ongezeko la takriban %22.

Yakikaguliwa kwa kutumia thamani za chanzo:

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

Hesabu hii si data mpya ya majaribio; ni sawa ya kihesabu ya power density za takriban zilizotolewa katika chanzo.

Uso wa zinki baada ya cycling

Baada ya cycling kwa 6 M KOH safi, kwenye zinc foil zilionekana:

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

.

Katika elektroliti yenye 1,0 mg CQD, uso wa zinki ulionyesha morfolojia compact zaidi, homogeneous zaidi na yenye corrosion product chache.

Picha hizi zinaunga mkono tafsiri kwamba CQD hupunguza interface degradation wakati wa cycling.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• CQD zenye wastani wa ukubwa wa takriban 7,41 ± 2,48 nm ziliweza kutengenezwa kutoka maganda ya limau kwa njia ya hidrotermali.
• Vikundi tendaji vyenye oksijeni vilionekana kwenye uso wa CQD kwa FTIR.
• Kuongezwa kwa CQD kulibadilisha zeta potential na ionic conductivity za 6 M KOH.
• Katika majaribio ya HER LSV/Tafel, HER kinetics zilipungua kadiri kiasi cha CQD kilivyoongezeka.
• 1,5 mg CQD ilitoa HER suppression yenye nguvu zaidi kati ya hali zilizochunguzwa.
• Katika vipimo vya zinc corrosion, 1,0 mg CQD ilitoa \(R_{ct}\) ya juu zaidi na corrosion-inhibition efficiency ya juu zaidi.
• Picha za SEM zinaunga mkono kwamba zinc surface damage ilipungua katika hali ya 1,0 mg CQD.
• Katika seli kamili yenye 1,0 mg CQD, charge–discharge polarization ilipungua na average power density ikaongezeka kutoka takriban 4,5 hadi 5,5 mW cm⁻².
• Utafiti unaonyesha kwamba CQD zinaweza kuwa na manufaa kama zinc–air battery electrolyte additive katika kiwango cha maabara.

Matokeo yasiyoungwa mkono na utafiti

• Utafiti huu hauhusu kompyuta ya kwanta au teknolojia ya qubit.
• Haijaonyeshwa moja kwa moja kwamba HER ilizuiwa kwa sababu ya CQD quantum confinement.
• CQD surface electronic states hazijathibitishwa kwa kiasi kwa XPS.
• Mekanizimu iliyopendekezwa ya interface haijaonyeshwa moja kwa moja katika kiwango cha atomu wala kuthibitishwa kikamilifu kwa in situ spectroscopy.
• 1,5 mg CQD si elektroliti bora zaidi kwa ujumla; ndiyo hali yenye nguvu zaidi ya majaribio kwa HER suppression pekee.
• Haijathibitishwa kwamba optimum ya 1,0 mg ni ya ulimwengu wote kwa ujazo wote wa KOH, usanisi wote wa CQD au jiometri zote za zinc–air.
• Matokeo ya cycling ya takriban saa 14 hayathibitishi maisha ya betri ya muda mrefu sana.
• Hakuna scale-up ya pouch-cell ya kibiashara, umbizo kubwa au mfumo wa zinc–air wa viwandani iliyofanywa.
• Chanzo hakiripoti extensive replicate/statistical-significance analysis katika majedwali makuu ya matokeo; kwa hiyo haiwezi kudhaniwa kwamba tofauti ndogo za utendaji zitabaki sawa katika batches zote za uzalishaji.
• Haijathibitishwa kwamba CQD huzuia kabisa uundaji wa zinc dendrite kwa muda mrefu.

Ujumbe mkuu wa kisayansi wa utafiti

Hitimisho muhimu zaidi la utafiti si “CQD nyingi zaidi ni bora zaidi”.

Hitimisho kuu ni kwamba kiasi cha electrolyte additive huunda uwiano kati ya:

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

.

Upakiaji wa 1,0 mg CQD uliunda uwiano bora zaidi wa jumla kwa mfumo huu wa majaribio.

Vikwazo vya kisayansi

Hakuna sehemu pana yenye kichwa tofauti cha “Limitations” ndani ya utafiti. Hata hivyo, mipaka ya wazi inayoweza kutolewa kutoka maandishi ya chanzo na mbinu zilizotumiwa ni:

• FTIR huonyesha vikundi vya uso, lakini uchambuzi saidizi kama XPS na Raman haukufanywa.
• Jaribio la HER halikufanywa kwenye uso wa zinki bali kwenye Pt/C-coated glassy carbon.
• Proposed mechanism si ushahidi wa moja kwa moja wa atomu/in situ.
• Utafiti wa Full-cell umewekewa mpaka na homemade laboratory ZAB.
• Figure 7 inaonyesha dirisha la cycling la takriban saa 14.
• Hakuna quantitative retention value iliyotolewa kwa long-term capacity retention au mamia ya cycle.
• Data publicly available si; imeelezwa kuwa itatolewa kwa request kwa sababu ya pending patent process.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

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

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

Corresponding authors: Mustapha Balarabe Idris na Xolile Fuku.

Mchango sawa: Chanzo hakijaonyesha alama ya waandishi wa kwanza wa pamoja/equal-contribution.

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

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio.

Hali ya uhakiki: Makala iliyochapishwa katika jarida lililopitia uhakiki.

Jarida: Energies.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / namba ya makala: 19(13), 3209.

DOI: 10.3390/en19133209.

Received: 30 Mei 2026.

Revised: 20 Juni 2026.

Accepted: 2 Julai 2026.

Published: 7 Julai 2026.

Kiungo rasmi: https://doi.org/10.3390/en19133209

Leseni: Creative Commons Attribution, CC BY.

Academic Editor: Kwok Tong Chau.

Toleo maalum: Electrochemical Technologies for Energy Conversion and Storage.

Nyenzo kuu: Carbon quantum dots zilizotengenezwa kwa njia ya hidrotermali kutoka taka za maganda ya limau.

Elektroliti kuu: 6 M KOH.

Upakiaji wa CQD: 0,5 mg, 1,0 mg na 1,5 mg CQD / 20 mL 6 M KOH.

Uainishaji mkuu: FTIR, HR-TEM, UV–Vis, zeta potential na ionic conductivity.

Mbinu ya HER: LSV kwenye Pt/C-coated glassy carbon working electrode, 5 mV s⁻¹; Pt counter, Ag/AgCl reference. HER polarisation curves zilirekodiwa bila iR compensation.

Mbinu ya kutu: Potentiodynamic polarisation na EIS kwenye Zinc-foil working electrode; polarisation scan rate 1 mV s⁻¹, −0,3–0,5 V vs open-circuit potential.

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

Seli kamili: Homemade rechargeable zinc–air battery yenye 0,25 mm polished zinc foil anode na Pd/C-based air cathode.

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

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

Kipenyo cha wastani cha chembe za CQD: 7,41 ± 2,48 nm.

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

Upakiaji optimum wa jumla: 1,0 mg CQD; zeta potential +48,5 mV, \(R_{ct}=3,80\) Ω, corrosion inhibition %64,47 na polarization ndogo zaidi katika seli kamili.

Dokezo la uwasilishaji wa Equation (1): Chanzo kinaonyesha equation ya inhibition efficiency kama \((R_{ct}-R'_{ct})/R_{ct}\); kwa kuwa thamani za Table 3 ni asilimia, uwiano huonyeshwa ×100 kwa muundo wa asilimia. Kwenye picha ya equation ya chanzo, kipengele ×100 hakionekani.

Dokezo la ishara ya \(E_{\mathrm{corr}}\): Chanzo kinaorodhesha thamani chanya za 1,58–1,50 V katika Table 3 na maandishi, wakati mhimili wa potential wa Figure 4a unaonyesha corrosion region katika RHE potentials hasi. Chanzo hakielezi tofauti hii ya uwasilishaji; thamani hazijasahihishwa kimya kimya na Verianla.

Matokeo ya Full-cell: Kwa Pristine 6 M KOH ~1,80 V charge cut-off, ~0,70 V discharge cut-off, ~1,10 V voltage gap na ~4,5 mW cm⁻² average operating power density; kwa 1,0 mg CQD + 6 M KOH mtawalia ~1,55 V, ~1,10 V, ~0,45 V na ~5,5 mW cm⁻².

Dokezo la Figure 6: Picha ya proposed-plausible-mechanism ya makala ni mchoro wa dhana ambao waandishi wamesema wazi uliundwa kwa kutumia Gemini AI kwa image generation. Ndani ya Verianla picha hii haijanakiliwa kwa pikseli; mahusiano ya kisayansi yanayoungwa mkono na chanzo yamejengwa upya kwa inline SVG huru.

Data Availability: Data itatolewa kwa request; haipo public kwa sababu ya pending patent process.

Institutional Review Board Statement: Not applicable.

Ufadhili: University of South Africa, Institute for Nanotechnology and Water Sustainability (iNanoWS), College of Science, Engineering and Technology ilitoa miundombinu ya utafiti na msaada wa kifedha.

Acknowledgments: Waandishi wamesema walitumia Grammarly kwa spelling, grammar, sentence structuring na punctuation checks; Gemini AI kwa image generation; kisha wakakagua na kuhariri matokeo wenyewe na kuchukua jukumu la maudhui ya makala.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kutokuwa na competing financial interest inayojulikana wala personal relationship inayoweza kuathiri utafiti.

Michango ya waandishi: Mustapha Balarabe Idris conceptualisation, data curation, formal analysis, investigation, validation, writing na editing; Indiphile Nompetsheni synthesis, formal analysis na investigation; Bhekie B. Mamba editing, funding acquisition na project administration; Xolile Fuku editing, funding acquisition, project administration, resources, supervision, visualisation na writing–review/editing.