Нуқтаҳои квантии карбон (carbon quantum dots, CQDs) дар ин таҳқиқот зарраҳои карбонии нанометрӣ мебошанд, ки аз партови пӯсти лимӯ бо усули гидротермалӣ синтез шуда, ҳамчун иловаи наномаводӣ ба электролити 6 M KOH-и батареяи дубора пуршавандаи руҳ–ҳаво илова шудаанд. Ҳадафи таҳқиқот санҷиши таҷрибавии он аст, ки оё CQD-ҳо бо тағйир додани интерфейси руҳ/электролит реаксияи паразитии ҷудошавии гидрогенро (hydrogen evolution reaction, HER) суст мекунанд ё не, коррозияи руҳро кам мекунанд ё не ва ин ба рафтори пуркунӣ–холишавии як ҳуҷайраи пурраи воқеии руҳ–ҳаво чӣ гуна таъсир мерасонад.

Дар таҳқиқот диаметри миёнаи зарраҳои CQD, ки аз пӯсти лимӯ истеҳсол шудаанд, аз рӯи TEM 7,41 ± 2,48 nm муайян шудааст. Таҳлили FTIR нишон додааст, ки дар сатҳи CQD гурӯҳҳои функсионалии дорои оксиген, аз ҷумла гидроксил, карбонил/карбоксил ва намудҳои C–O/C–O–C мавҷуданд. Ин химияи сатҳ яке аз унсурҳои асосиест, ки муҳаққиқон барои шарҳ додани тағйири тақсимоти заряд дар интерфейси электролит ва қобилияти паҳншавии CQD-ҳо дар муҳити обии ишқорӣ истифода кардаанд.

Дар ҳоле ки zeta potential-и электролити тозаи 6 M KOH −28,2 mV буд, бо иловаи 0,5, 1,0 ва 1,5 mg CQD мутаносибан +45,4, +48,5 ва +40,4 mV чен карда шуд. Гузаронандагии ионӣ барои KOH-и тоза 460 mS cm⁻¹, барои 0,5 mg CQD 488 mS cm⁻¹, барои 1,0 mg 478 mS cm⁻¹ ва барои 1,5 mg 453 mS cm⁻¹ буд. Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки бо зиёд шудани миқдори CQD беҳбудии яксамта ба вуҷуд намеояд: дар боркуниҳои паст–миёна интерфейс ва интиқоли ионҳо ба таври муфид тағйир меёбанд, аммо дар боркунии аз ҳад зиёд таъсири мутақобилаи зарраҳо ва агрегацияи қисман метавонад бартариҳоро кам кунад.

Дар таҷрибаҳои HER бо зиёд шудани миқдори CQD ҷудошавии гидроген тадриҷан мушкилтар шудааст. Бо тарзи пешниҳоди мақола HER onset potential аз 146 mV ба 217, 282 ва 291 mV; overpotential дар зичии ҷараёни 10 mA cm⁻² аз 398 mV ба 434, 463 ва 477 mV; ва Tafel slope аз 82 mV dec⁻¹ ба 113, 126 ва 130 mV dec⁻¹ афзудааст. Аз ин рӯ 1,5 mg CQD аз нигоҳи фурӯнишонии HER қавитарин шароити санҷидашуда мебошад.

Бо вуҷуди ин, дар санҷишҳои коррозия натиҷаи беҳтарин дар 1,0 mg CQD ба даст омадааст. Charge-transfer resistance \(R_{ct}\) дар 6 M KOH-и тоза 1,35 Ω буд, аммо дар электролити дорои 1,0 mg CQD ба 3,80 Ω афзуд ва maximum corrosion inhibition efficiency, ки дар манбаъ гузориш шудааст, %64,47 буд. Дар 1,5 mg CQD \(R_{ct}\) ба 3,26 Ω ва самаранокии ингибитсия ба %58,59 поин рафт. Аз ин рӯ муҳаққиқон боркунии 1,0 mg-ро беҳтарин тавозуни умумӣ байни фурӯнишонии HER, пешгирии коррозия, устувории коллоидӣ ва интиқоли ионҳо арзёбӣ кардаанд.

Дар ҳуҷайраи пурраи руҳ–ҳавои миқёси лабораторӣ, ки бо электролити дорои 1,0 mg CQD сохта шуд, voltage-ҳои cut-off-и charge/discharge тақрибан 1,55/1,10 V буданд, дар ҳоле ки дар ҳуҷайраи 6 M KOH-и тоза тақрибан 1,80/0,70 V чен шуданд. Ҳамин тавр, фарқи шиддати charge–discharge аз тақрибан 1,10 V то 0,45 V танг шуд. Зичии миёнаи қувваи корӣ низ аз тақрибан 4,5 mW cm⁻² то 5,5 mW cm⁻² афзуд; манбаъ инро тақрибан %22 афзоиши қувва гузориш мекунад.

Гарчанде ин натиҷаҳо умедбахшанд, маҳдудияти таҳқиқот муҳим аст. Тадқиқот дар ҳуҷайраҳои миқёси лабораторӣ гузаронида шудааст; Figure 7 равзанаи тақрибан 14-соатаи galvanostatic cycling-ро нишон медиҳад. Аз ин рӯ натиҷаҳо умри чандмоҳа ё чандсолаи батарея, шароити истеҳсоли силсилавӣ ё нигоҳ доштани ҳамин самаранокиро дар системаҳои тиҷоратии руҳ–ҳаво исбот намекунанд. Илова бар ин, механизме, ки муаллифон барои тарзи танзими electrical double layer ва сатҳи руҳ аз ҷониби CQD пешниҳод мекунанд, механизми оқилонаи пешниҳодшуда мебошад, ки бо натиҷаҳои таҷрибавӣ мувофиқ аст; онро набояд ҳамчун ягона механизми бевосита дар миқёси атомӣ тасдиқшуда муаррифӣ кард.

Нуқтаҳои квантии карбон дар ин таҳқиқот дақиқ чӣ кор мекунанд?

Нуқтаҳои квантии карбон дар ин таҳқиқот ба ҷойи электроди фаъоли батарея ҳамчун иловаи электролит хизмат мекунанд; онҳо тавассути зарраҳои нанокарбонии дар 6 M KOH паҳншуда тақсимоти заряд, интиқоли ионҳо ва charge-transfer kinetics-и интерфейси руҳ/электролитро тағйир дода, ба коҳиши HER ва коррозия нигаронида шудаанд.

Ибораи “нуқтаи квантӣ” чӣ маъно дорад?

Нуқтаҳои квантии карбон зарраҳои карбонии дорои андозаи чанд нанометр мебошанд. Номи “Quantum dot” ба сохтори электронӣ ва хусусиятҳои оптикӣ дар миқёси нанометрӣ марбут аст; аммо ченкуниҳои асосии ин мақола ба quantum coherence, рафтори qubit ё ҳисоббарории квантӣ дахл надоранд.

Дар таҳқиқот барои шарҳи самаранокии CQD-ҳо ҳамчун иловаи электролит махсусан хусусиятҳои зерин таъкид мешаванд:

• андозаи нанометрӣ,
• таносуби баланди сатҳ/зарра,
• функсияҳои сатҳии дорои оксиген,
• қобилияти паҳншавӣ дар муҳити обии ишқорӣ,
• таъсири мутақобилаи қавӣ бо интерфейси электрохимиявӣ.

Мақола band gap-и электронии CQD-ҳоро чен накардааст, quantum-confinement energy-ро ҳисоб накардааст ва quantum yield-и фотолюминесенсияро гузориш накардааст. Аз ин рӯ шарҳ додани беҳбудии батарея дар ин таҳқиқот ҳамчун “маҳдудшавии квантӣ HER-ро мустақиман боздошт” аз доираи манбаъ берун мебарояд. Тафсири таҷрибавӣ асосан ба химияи сатҳ ва танзими интерфейси электрохимиявӣ асос ёфтааст.

CQD-ҳо чӣ андоза доранд?

Дар таҳлили андозаи зарраҳо аз тасвирҳои TEM диаметри миёна:

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

муайян шудааст.

Дар ин ҷо 7,41 nm диаметри миёнаи ченшудаи зарра ва ±2,48 nm паҳнои тақсимот/арзиши номуайянии дар манбаъ гузоришшударо ифода мекунад. Дар тасвирҳои TEM зарраҳо quasi-spherical тавсиф шудаанд, аммо агрегацияи равшан низ мушоҳида шудааст.

Дар сатҳи CQD кадом гурӯҳҳои химиявӣ мушоҳида шуданд?

Муаллифон паҳноии бандҳои FTIR-ро ҳамчун мушоҳидае арзёбӣ мекунанд, ки ба пурра графитӣ нашудани сохтори карбон ва мутобиқати истеҳсоли гидротермалии ҳарорати паст бо сохтори аморфӣ/турбостратии карбон ишора мекунад.

Дар ин ҷо маҳдудияти муҳими усул вуҷуд дорад: FTIR дар бораи ҳузури гурӯҳҳои функсионалӣ маълумот медиҳад, аммо ҳолатҳои дақиқи пайвастшавӣ ва миқдори элементҳои сатҳро танҳо худаш пурра ҳал карда наметавонад. Худи мақола низ равшан мегӯяд, ки усулҳои иловагӣ, ба монанди XPS ва Raman spectroscopy, метавонанд дар бораи surface composition ва structural disorder маълумоти муфассалтар диҳанд.

Спектри UV–Vis чӣ нишон дод?

Дар электролитҳои KOH-и дорои CQD дар минтақаи ултрабунафш absorption-и қавӣ ва absorption tail-и васеъ, ки ба минтақаи намоён дароз мешавад, мушоҳида шудааст.

Банди тақрибан 230–280 nm аз ҷониби манбаъ бо:

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

гузаришҳо, яъне sp² C=C carbon domains алоқаманд карда шудааст.

Absorption-и васеъе, ки ба минтақаи намоён мерасад, бо oxygen-containing surface states, ба монанди C=O ва C–O, алоқаманд:

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

гузаришҳо шарҳ дода шудааст.

Бо зиёд шудани миқдори CQD absorption intensity афзудааст. Набудани absorption edge-и тез аз ҷониби муаллифон ҳамчун мутобиқат бо disordered carbon domains ва heterogeneous surface states тафсир шудааст.

Чаро реаксияи ҷудошавии гидроген дар батареяи руҳ–ҳаво мушкил эҷод мекунад?

Дар муҳити қавии ишқории батареяи руҳ–ҳаво, вақте аноди руҳ дар реаксияҳои дилхоҳи redox-и руҳ иштирок мекунад, аз ҳисоби барқароршавии об гази паразитии гидроген низ метавонад ҳосил шавад; ин реаксияи паҳлуӣ метавонад электролитро масраф кунад, руҳро коррозия кунад ва бо ташвиқи пассиватсияи сатҳ ва ташаккули дендритҳо ба зудтар бад шудани иқтидори батарея мусоидат кунад.

Манбаъ потенсиали маъмулии электродиро барои Zn/Zn²⁺ −1,26 V vs. SHE ва барои water reduction дар pH 14 −0,83 V vs. SHE медиҳад. Азбаски потенсиали руҳ манфитар аст, HER дар шароити қавии ишқорӣ як раванди паҳлуии аз нигоҳи термодинамикӣ имконпазир мебошад.

Дар батареяи руҳ–ҳаво танҳо тарафи анод мушкил надорад. Дар air cathode ҳангоми discharge oxygen reduction reaction (ORR), ҳангоми charge oxygen evolution reaction (OER) сурат мегирад ва кинетикаи сусти ин реаксияҳо низ самаранокии системаро маҳдуд мекунад. Бо вуҷуди ин, мавзӯи асосии таҳқиқоти ин мақола zinc anode–electrolyte interface, HER ва zinc corrosion мебошад.

Оё ченкунии HER мустақиман дар сатҳи руҳ анҷом дода шуд?

Не. Ин нукта барои тафсири дурусти таҷриба муҳим аст.

Дар таҷрибаҳои HER LSV ва Tafel ҳамчун working electrode ба рӯи 3 mm glassy-carbon electrode:

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

дорои catalyst ink drop-cast карда шудааст.

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

Аз ин рӯ тағйироти HER onset, \(\eta_{10}\) ва Tafel-slope дар Table 2 нишон медиҳанд, ки CQD-modified electrolyte рафтори HER-ро дар сатҳи каталитикии Pt/C чӣ гуна тағйир медиҳад.

Таъсири коррозия ба руҳ бошад бо таҷрибаҳои ҷудогонаи potentiodynamic-polarisation ва EIS бо истифода аз zinc foil ҳамчун working electrode омӯхта шудааст.

Ин ду гурӯҳи таҷрибаҳо ҳамдигарро пурра мекунанд, аммо як таҷриба нестанд.

Тағйири zeta potential аз −28,2 mV то +48,5 mV чиро нишон медиҳад?

Тағйири аломат ва бузургии zeta potential нишон медиҳад, ки иловаи CQD муҳити электростатикии зарраҳо/интерфейсро сахт тағйир додааст ва дар боркунии 1,0 mg дисперсияи CQD ба ҳолате расидааст, ки манбаъ онро устувортарин шароит арзёбӣ мекунад.

Манбаъ zeta potential-и манфии KOH-и тозаро бо бартарии ионҳои OH⁻ дар electrical double layer алоқаманд мекунад.

Гузариш ба арзишҳои хеле мусбат пас аз иловаи CQD бошад аз ҷониби муаллифон бо protonated/charged functionalities дар сатҳи CQD, cation adsorption ва ташаккули electrical-double-layer атрофи functionalised carbon surface шарҳ дода мешавад.

Ин тафсир аз нигоҳи химияи сатҳ оқилона аст, аммо дар таҳқиқот in situ spectroscopy, ки намудҳои мушаххаси ионҳои адсорбшуда дар сатҳро мустақиман дар миқёси атомӣ нишон диҳад, анҷом дода нашудааст. Аз ин рӯ, кадом ион ба кадом гурӯҳи функсионалӣ бо кадом геометрияи пайванд пайваст мешавад, таҷрибавӣ ҳал нашудааст.

Чаро дар 0,5 mg гузаронандагии ионӣ меафзояд, аммо дар 1,5 mg коҳиш меёбад?

Мувофиқи тафсири манбаъ, дар боркунии пасти CQD, ion dispersion, ion hopping ва local charge redistribution дар атрофи solid–liquid interface метавонанд интиқоли ионҳоро осон кунанд. Дар натиҷа conductivity:

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

афзудааст.

Аммо бо зиёд шудани миқдори CQD, таъсири мутақобилаи зарра–зарра ва partial aggregation метавонад зиёд шавад. Дар 1,5 mg паст шудани zeta potential аз +48,5 mV ба +40,4 mV ва коҳиши conductivity то 453 mS cm⁻¹ ҳамчун натиҷаҳое пешниҳод шудаанд, ки ин тафсирро дастгирӣ мекунанд.

Аз ин рӯ хулосаи “CQD ҳар қадар зиёд бошад, электролит ҳамон қадар беҳтар аст” дуруст нест.

HER onset potential, overpotential ва Tafel slope чиро чен мекунанд?

HER onset potential минтақаи потенсиалеро тавсиф мекунад, ки ҷудошавии гидроген дар он намоён мешавад; \(\eta_{10}\) ҳаракати иловагии электрохимиявиро барои расидан ба 10 mA cm⁻² нишон медиҳад; Tafel slope бошад тавсиф мекунад, ки ҷараён бо потенсиал чӣ қадар зуд тағйир меёбад ва кинетикаи реаксия то чӣ андоза осон ё душвор пеш меравад.

Азбаски дар манбаъ ҳамаи ин арзишҳо ҳамчун бузургиҳои мусбати mV гузориш шудаанд, Verianla ҳамин тарзи нишондиҳиро нигоҳ медорад.

Бо зиёд шудани миқдори CQD барои расидан ба ҳамон зичии ҷараёни HER electrochemical driving force-и бештар лозим мешавад, ки ин душвортар шудани HER-ро нишон медиҳад.

Баландтарин \(\eta_{10}\) ва баландтарин Tafel slope дар шароити 1,5 mg CQD дида мешавад. Аз ин рӯ, агар танҳо HER suppression ҳадаф бошад, 1,5 mg қавитарин система мебошад.

Ба тақрибан 120 mV dec⁻¹ расидани Tafel slope чӣ маъно дорад?

Муаллифон қайд мекунанд, ки Tafel slopes дар сатҳи тақрибан 120 mV dec⁻¹ дар муҳити ишқорӣ метавонанд бо Volmer-limited mechanism алоқаманд бошанд.

Марҳилаи Volmer марҳилаи аввали water dissociation ва surface hydrogen adsorption-и HER-и ишқориро ифода мекунад. Аз ин рӯ slopes, ки ба 113–130 mV dec⁻¹ афзудаанд, аз ҷониби муаллифон ҳамчун далеле тафсир шудаанд, ки CQD-ҳо марҳилаи аввалини adsorption/activation-и молекулаи обро душвор мекунанд.

Аммо Tafel slope танҳо худаш исбот намекунад, ки механизм дар сатҳи атомӣ қатъиян бо марҳилаи Volmer маҳдуд аст. Забони манбаъ низ инро дар сатҳи “associated with” ва “suggests” баён мекунад.

Коҳиш ёфтани коррозияи руҳ чӣ гуна нишон дода шуд?

Коррозияи руҳ бо potentiodynamic polarisation, electrochemical impedance spectroscopy ва SEM омӯхта шудааст; дар электролитҳои дорои CQD кам шудани ҷараёни коррозия, калон шудани нимдоираи Nyquist ва charge-transfer resistance ва компакттар мондани сатҳи руҳ фурӯнишонии коррозияро дастгирӣ мекунанд.

Charge-transfer resistance чӣ маъно дорад?

Дар electrochemical impedance spectroscopy \(R_{ct}\) бо муқовимати самараноке алоқаманд аст, ки charge-transfer reaction ҳангоми гузаштан аз electrode/electrolyte interface дучор мешавад.

Дар ин таҷриба:

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

буд, вале бо иловаи CQD:

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

арзишҳо ба даст омадаанд.

Баландтарин арзиш:

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

дар шароити 1,0 mg CQD мебошад.

Барои faradaic charge-transfer processes-и номатлуб, ба монанди коррозия, \(R_{ct}\)-и калонтар нишондиҳандаест, ки реаксия аз интерфейс душвортар гузашта, corrosion kinetics суст шудааст.

Самаранокии ингибитсияи коррозия чӣ гуна ҳисоб карда шуд?

Манбаъ Equation (1)-ро:

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

чунин медиҳад.

Дар ин ҷо:

• \(R_{ct}\): charge-transfer resistance-и ченшуда дар электролити дорои CQD,
• \(R'_{ct}\): charge-transfer resistance дар pristine 6 M KOH,
• \(R_P\): inhibitor-efficiency ratio дар муодилаи манбаъ.

Азбаски натиҷаи Table 3 бо фоиз гузориш шудааст, шакли фоизӣ чунин хонда мешавад:

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

Ҳамин тавр хонда мешавад.

Масалан, барои 1,0 mg CQD:

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

ва:

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

Нишондиҳии ×100 дар ин ҷо барои шарҳи арзиши фоизии Table 3 зарур аст. Дар тасвири Equation (1)-и PDF-и манбаъ омили ×100 ба таври намоён навишта нашудааст; аз ин рӯ ин нукта бояд ҳамчун масъалаи равшании воҳид/фоиз дар пешниҳоди манбаъ нигоҳ дошта шавад.

Ёддошти аломат дар дохили манбаъ: Table 3 ва матн арзишҳои \(E_{\mathrm{corr}}\)-ро ҳамчун 1,58–1,50 V мусбат медиҳанд. Баръакс, меҳвари “Potential (V) vs RHE”-и Figure 4a минтақаи коррозияро тақрибан байни −1,6 ва −1,5 V нишон медиҳад. Мақола ин фарқи аломатро шарҳ намедиҳад. Verianla арзишҳои ҷадвалро ҳамон тавре ки дар манбаъ навишта шудаанд, нигоҳ медорад ва аломатро худсарона иваз намекунад.

Тасвирҳои сатҳии SEM чӣ нишон доданд?

Pristine zinc foil пеш аз polarisation нисбатан ҳамвор ва компакт менамояд.

Пас аз polarisation дар 6 M KOH дар сатҳи руҳ:

• irregular deposits,
• тарқишҳои амиқ,
• heterogeneous corrosion features,
• rough ва fragmented morphology

мушоҳида шудааст.

Бо 0,5 mg CQD surface damage кам шудааст ва дар 1,0 mg CQD сатҳи uniform ва compactтарин ба даст омадааст.

Дар 1,5 mg CQD сатҳ аз pristine KOH беҳтар аст, аммо нисбат ба 1,0 mg irregular ва roughтар шудааст.

Ин мушоҳидаи SEM ба ҳамон нуқтаи optimum ишора мекунад, ки дар 1,0 mg бо максимуми \(R_{ct}\) ва zeta potential дида мешавад.

Механизми фурӯнишонии HER ва коррозия аз ҷониби CQD чӣ гуна шарҳ дода мешавад?

Мувофиқи механизми пешниҳодкардаи муаллифон, oxygen-functionalised CQD-ҳо electrical double layer ва local charge distribution-ро дар интерфейси zinc/электролит тағйир медиҳанд, фаъолшавии об ва charge transfer-ро суст мекунанд ва дар сатҳи руҳ interfacial environment-и қисман муҳофизатӣ ва устувортар ташкил дода, ҳам HER ва ҳам коррозияро кам мекунанд.

Ин шарҳ чор гурӯҳи мушоҳидаҳои таҷрибавиро муттаҳид мекунад:

• тағйири қавии zeta potential,
• афзоиши HER onset ва Tafel slope,
• афзоиши \(R_{ct}\),
• ҳамвортар мондани сатҳи руҳ дар SEM.

Аз ин рӯ манбаъ рафторро танҳо ҳамчун “азбаски гузаронандагии ионӣ кам шуд, HER кам шуд” шарҳ намедиҳад. Хусусан дар 0,5 mg CQD, гарчанде conductivity аз pristine KOH баландтар аст, HER боз ҳам фурӯ нишонда мешавад. Ин натиҷа дастгирӣ мекунад, ки bulk ionic transport ягона омили муайянкунанда нест ва interfacial electrostatic/surface effects муҳиманд.

Чаро, гарчанде optimum-и умумӣ 1,0 mg CQD аст, 1,5 mg аз нигоҳи HER қавитар аст?

Зеро электролити оптималӣ танҳо электролите нест, ки HER-ро ба ҳадди аксар фурӯ нишонад; шароите лозим аст, ки гузаронандагии ионӣ, устувории дисперсияи CQD, муқовимати руҳ ба коррозия ва поляризатсияи ҳуҷайраи пурраро ҳамзамон дар сатҳи қобили қабул нигоҳ дорад ва ин тавозуни бисёрпараметрӣ дар таҳқиқот дар 1,0 mg CQD ба даст омадааст.

Дар 1,5 mg CQD:

• HER onset potential бо 291 mV баландтарин аст,
• \(\eta_{10}=477\) mV баландтарин аст,
• Tafel slope бо 130 mV dec⁻¹ баландтарин аст.

Аммо дар ҳамин шароит:

• zeta potential аз +48,5 ба +40,4 mV коҳиш меёбад,
• conductivity ба 453 mS cm⁻¹ коҳиш меёбад,
• \(R_{ct}\) аз 3,80 ба 3,26 Ω коҳиш меёбад,
• corrosion inhibition аз %64,47 ба %58,59 коҳиш меёбад,
• SEM surface нисбат ба шароити 1,0 mg irregularтар мешавад.

Аз ин рӯ таҳқиқот ба хулосаи “боркунии максималии CQD optimum аст” намерасад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

CQD аз пӯсти лимӯ чӣ гуна синтез шуд?

Дар синтези CQD пӯсти лимӯ ҳамчун пешгузаштаи карбон истифода шудааст; пас аз пешкоркарди кислотаӣ, коркарди оксидкунанда бо sodium hypochlorite ва hydrothermal treatment-и 12-соата дар 180 °C маҳсулот шуста, сентрифуга ва хушк карда шудааст.

Манбаъ махсусан қайд мекунад, ки organic ligand, surfactant ё structure-directing agent истифода нашудааст. Аз ин рӯ морфологияи мушоҳидашудаи CQD ба равандҳои hydrothermal carbonisation ва oxidation нисбат дода шудааст.

Электролитҳои CQD nanofluid чӣ гуна омода шуданд?

0,5, 1,0 ё 1,5 mg CQD алоҳида:

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

дар дохили он дисперсия шудаанд.

Раванди дисперсия бо S 15 H Elmasonic bath ultrasonicator анҷом дода шудааст.

Zeta potential ва conductivity бо Malvern ZetaSizer, model MAL1129694 тавсиф шудаанд.

Дастгоҳҳои тавсифоти физикӣ-химиявӣ

Тарҳи электрохимиявии HER

Диаметри glassy-carbon working electrode 3 mm аст.

Электрод аввал бо:

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

сайқал дода шуда; бо DI water тоза ва дар ambient temperature хушк шудааст.

Catalyst ink:

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

омода шудааст.

Системаи сеэлектрода:

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

аст.

HER linear sweep voltammetry:

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

бо scan rate анҷом дода шудааст.

Манбаъ махсусан қайд мекунад, ки барои HER polarization curves iR compensation татбиқ нашудааст. Ин ҷузъ муҳим аст; measured potentials набояд ҳамчун арзишҳое фаҳмида шаванд, ки таъсири ohmic drop-и маҳлул аз онҳо пурра хориҷ шудааст.

Санҷиши коррозия

Коррозияи potentiodynamic polarization:

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

дар ҳамин шароит анҷом дода шудааст.

Ҳама electrochemical measurements бо VSP-3e multichannel potentiostat/galvanostat гузаронида шудаанд.

Ҳуҷайраи пурраи руҳ–ҳаво чӣ гуна сохта шуд?

Дар homemade ZAB ғафсии zinc foil anode:

\[ 0.25\ \mathrm{mm} \]

дода шудааст.

Air cathode ink:

• 12 mg %3 Pd/C,
• 8 mg carbon black,
• 10 µL Nafion,
• чанд қатра ethanol

омода ва ба рӯи nickel current collector drop-cast карда шудааст.

Электрод:

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

дар air oven хушк карда шудааст.

Шароити galvanostatic cycling

Current density:

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

доимӣ нигоҳ дошта шудааст.

Ҳар cycle аз:

• 10 дақиқа charge,
• 10 дақиқа discharge

pulse иборат аст.

Манбаъ нишон медиҳад, ки меҳвари вақти Figure 7 тақрибан фосилаи 0–14 соатро дар бар мегирад. Аз ин рӯ ин санҷиш cycling comparison-и кӯтоҳ/миёнамуддати миқёси лабораторӣ аст; тасдиқи service-life-и хеле дароз нест.

Зичии қувваи ҳуҷайраи пурра чӣ гуна ҳисоб карда шуд?

Манбаъ барои areal power density:

\[ P=VJ \]

муносибатро истифода мекунад.

Дар ин ҷо:

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

Санҷиши воҳид:

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

Аз ин рӯ муодила аз нигоҳи андозавӣ мувофиқ аст.

Тағйири зичии қувва дар манбаъ тақрибан %22 афзоиш гуфта шудааст.

Ҳангоми санҷиш бо арзишҳои манбаъ:

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

Ин ҳисоб маълумоти нави таҷрибавӣ нест; танҳо эквиваленти арифметикии зичиҳои тахминии қувва дар манбаъ мебошад.

Сатҳи руҳ пас аз cycling

Пас аз cycling бо 6 M KOH-и тоза дар zinc foil:

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

мушоҳида шудааст.

Дар электролити дорои 1,0 mg CQD бошад сатҳи руҳ морфологияи compact, homogeneous ва дорои corrosion product-и камтар нишон додааст.

Ин тасвирҳо тафсиреро дастгирӣ мекунанд, ки CQD interface degradation-ро ҳангоми cycling кам мекунад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Аз пӯсти лимӯ CQD-ҳои дорои андозаи миёнаи тақрибан 7,41 ± 2,48 nm бо усули гидротермалӣ истеҳсол шуданд.
• Дар сатҳи CQD бо FTIR гурӯҳҳои функсионалии дорои оксиген мушоҳида шуданд.
• Иловаи CQD арзишҳои zeta potential ва ionic conductivity-и 6 M KOH-ро тағйир дод.
• Дар таҷрибаҳои HER LSV/Tafel бо зиёд шудани миқдори CQD HER kinetics сусттар шуд.
• 1,5 mg CQD дар байни шароитҳои санҷидашуда қавитарин HER suppression-ро таъмин кард.
• Дар ченкуниҳои zinc corrosion, 1,0 mg CQD баландтарин \(R_{ct}\) ва corrosion-inhibition efficiency-ро таъмин кард.
• Тасвирҳои SEM коҳиши zinc surface damage-ро дар шароити 1,0 mg CQD дастгирӣ мекунанд.
• Дар ҳуҷайраи пурраи дорои 1,0 mg CQD charge–discharge polarization кам шуда, зичии миёнаи қувва аз тақрибан 4,5 ба 5,5 mW cm⁻² афзуд.
• Таҳқиқот нишон медиҳад, ки CQD-ҳо метавонанд ҳамчун zinc–air battery electrolyte additive дар миқёси лабораторӣ муфид бошанд.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Ин таҳқиқот дар бораи компютери квантӣ ё технологияи qubit нест.
• Бевосита нишон дода нашудааст, ки HER бо сабаби CQD quantum confinement фурӯ нишонда шудааст.
• CQD surface electronic states бо XPS ба таври миқдорӣ тасдиқ нашудаанд.
• Механизми пешниҳодшудаи interface дар миқёси атомӣ бевосита тасвир нашудааст ва бо in situ spectroscopy қатъӣ тасдиқ нашудааст.
• 1,5 mg CQD умуман беҳтарин электролит нест; он танҳо аз нигоҳи HER suppression қавитарин шароити санҷиш мебошад.
• Исбот нашудааст, ки optimum-и 1,0 mg барои ҳама ҳаҷмҳои KOH, ҳамаи синтезҳои CQD ё ҳамаи геометрияҳои zinc–air универсалӣ аст.
• Натиҷаи cycling-и тақрибан 14-соата умри хеле дарози батареяро исбот намекунад.
• Миқёскунӣ ба pouch-cell-и тиҷоратӣ, формати калон ё системаи саноатии zinc–air анҷом дода нашудааст.
• Манбаъ дар ҷадвалҳои асосии натиҷа extensive replicate/statistical-significance analysis гузориш намекунад; аз ин рӯ наметавон фарз кард, ки фарқиятҳои хурди самаранокӣ дар ҳамаи партияҳои истеҳсолӣ яксон мемонанд.
• Исбот нашудааст, ки CQD-ҳо ташаккули zinc dendrite-ро дар дарозмуддат комилан пешгирӣ мекунанд.

Паёми асосии илмии таҳқиқот

Натиҷаи муҳимтарини таҳқиқот “CQD ҳар қадар зиёд бошад, ҳамон қадар беҳтар” нест.

Натиҷаи аслӣ ин аст, ки миқдори иловаи электролит байни:

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

тавозун ташкил мекунад.

Боркунии 1,0 mg CQD барои ин системаи таҷрибавӣ беҳтарин тавозуни умумиро таъмин кардааст.

Маҳдудиятҳои илмӣ

Дар дохили таҳқиқот бахши муфассали алоҳида бо унвони “Limitations” вуҷуд надорад. Бо вуҷуди ин, маҳдудиятҳои равшане, ки аз матни манбаъ ва усулҳои истифодашуда бармеоянд, чунинанд:

• FTIR функсияҳои сатҳро нишон медиҳад, аммо таҳлилҳои иловагӣ ба монанди XPS ва Raman иҷро нашудаанд.
• Санҷиши HER на дар сатҳи руҳ, балки дар Pt/C-coated glassy carbon анҷом дода шудааст.
• Proposed mechanism далели мустақими атомӣ/in situ нест.
• Таҳқиқоти Full-cell бо homemade laboratory ZAB маҳдуд аст.
• Figure 7 равзанаи тақрибан 14-соатаи cycling медиҳад.
• Барои long-term capacity retention ё садҳо cycle арзиши quantitative retention дода нашудааст.
• Data publicly available нест; гуфта шудааст, ки бинобар pending patent process бо request пешниҳод мешавад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

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

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

Corresponding authors: Mustapha Balarabe Idris ва Xolile Fuku.

Саҳми баробар: Дар манбаъ нишонаи ҳаммуаллифи аввал/equal-contribution нишон дода нашудааст.

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

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқоти таҷрибавӣ.

Ҳолати тақриз: Мақола дар маҷаллаи тақризшуда нашр шудааст.

Маҷалла: Energies.

Ношир: MDPI.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 19(13), 3209.

DOI: 10.3390/en19133209.

Received: 30 Май 2026.

Revised: 20 Июн 2026.

Accepted: 2 Июл 2026.

Published: 7 Июл 2026.

Пайванди расмӣ: https://doi.org/10.3390/en19133209

Литсензия: Creative Commons Attribution, CC BY.

Academic Editor: Kwok Tong Chau.

Шумораи махсус: Electrochemical Technologies for Energy Conversion and Storage.

Маводи асосӣ: Carbon quantum dots, ки аз партови пӯсти лимӯ бо усули гидротермалӣ истеҳсол шудаанд.

Электролити асосӣ: 6 M KOH.

Боркуниҳои CQD: 0,5 mg, 1,0 mg ва 1,5 mg CQD / 20 mL 6 M KOH.

Тавсифоти асосӣ: FTIR, HR-TEM, UV–Vis, zeta potential ва ionic conductivity.

Усули HER: LSV дар Pt/C-coated glassy carbon working electrode, 5 mV s⁻¹; Pt counter, Ag/AgCl reference. HER polarisation curves бе iR compensation сабт шудаанд.

Усули коррозия: Potentiodynamic polarisation ва EIS дар 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.

Ҳуҷайраи пурра: Homemade rechargeable zinc–air battery бо 0,25 mm polished zinc foil anode ва Pd/C-based air cathode.

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

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

Диаметри миёнаи зарраи CQD: 7,41 ± 2,48 nm.

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

Боркунии optimum-и умумӣ: 1,0 mg CQD; zeta potential +48,5 mV, \(R_{ct}=3,80\) Ω, corrosion inhibition %64,47 ва polarization-и пасттар дар ҳуҷайраи пурра.

Ёддошти пешниҳоди Equation (1): Манбаъ муодилаи inhibition efficiency-ро ба шакли \((R_{ct}-R'_{ct})/R_{ct}\) нишон медиҳад; азбаски арзишҳои Table 3 фоизанд, барои шакли фоизӣ таносуб ×100 ифода мешавад. Дар тасвири equation-и манбаъ омили ×100 намоён нест.

Ёддошти аломати \(E_{\mathrm{corr}}\): Манбаъ дар Table 3 ва матн арзишҳои мусбати 1,58–1,50 V-ро рӯйхат мекунад, дар ҳоле ки меҳвари потенсиали Figure 4a corrosion region-ро дар RHE potentials-и манфӣ нишон медиҳад. Манбаъ ин фарқи нишондиҳиро шарҳ намедиҳад; арзишҳо аз ҷониби Verianla хомӯшона ислоҳ нашудаанд.

Натиҷаи Full-cell: Барои Pristine 6 M KOH ~1,80 V charge cut-off, ~0,70 V discharge cut-off, ~1,10 V voltage gap ва ~4,5 mW cm⁻² average operating power density; барои 1,0 mg CQD + 6 M KOH мутаносибан ~1,55 V, ~1,10 V, ~0,45 V ва ~5,5 mW cm⁻².

Ёддошти Figure 6: Proposed-plausible-mechanism-и мақола як шакли консептуалӣ мебошад, ки муаллифон ошкоро гуфтаанд бо Gemini AI барои image generation сохта шудааст. Дар Verianla ин шакл пиксел ба пиксел нусхабардорӣ нашудааст; танҳо муносибатҳои илмие, ки манбаъ дастгирӣ мекунад, бо inline SVG-и мустақил аз нав сохта шудаанд.

Data Availability: Data бо request пешниҳод мешавад; бинобар pending patent process public нест.

Institutional Review Board Statement: Not applicable.

Маблағгузорӣ: University of South Africa, Institute for Nanotechnology and Water Sustainability (iNanoWS), College of Science, Engineering and Technology имкониятҳои таҳқиқотӣ ва дастгирии молиявӣ пешниҳод кардааст.

Acknowledgments: Муаллифон гузориш додаанд, ки Grammarly-ро барои spelling, grammar, sentence structuring ва punctuation checks; Gemini AI-ро барои image generation истифода кардаанд, баъдан натиҷаҳоро худ баррасӣ ва таҳрир намуда, масъулияти мазмуни мақоларо қабул кардаанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки competing financial interest ё personal relationship-и маълум, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Mustapha Balarabe Idris conceptualisation, data curation, formal analysis, investigation, validation, writing ва editing; Indiphile Nompetsheni synthesis, formal analysis ва investigation; Bhekie B. Mamba editing, funding acquisition ва project administration; Xolile Fuku editing, funding acquisition, project administration, resources, supervision, visualisation ва writing–review/editing-ро анҷом додаанд.