科學(xué)家們在原子尺度上發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的動力學(xué)

在能源生產(chǎn)中尋找化石燃料的可行替代品的努力最近經(jīng)歷了一場革命，因為科學(xué)家正在尋找不需要貴金屬產(chǎn)生活性和穩(wěn)定反應(yīng)的材料..

其中許多反應(yīng)的核心是析氧反應(yīng)(OER)，這是電解槽中分解水以產(chǎn)生能為燃料電池供電的氫的重要電化學(xué)部分。

美國能源部Argonne國家實驗室的科學(xué)家利用高精度材料科學(xué)和電化學(xué)的結(jié)合，提供了重要的洞察機制，驅(qū)動穩(wěn)定和活動的材料在OER。 這一洞察力將指導(dǎo)電化學(xué)燃料生產(chǎn)材料的實際設(shè)計。

Argonne杰出研究員Nenad Markovic說：“我們的解釋消除了雜質(zhì)在原子尺度和宏觀尺度上對材料穩(wěn)定性的影響?！?/p>

科學(xué)家們研究了一種被稱為氫氧化物的電解槽材料，發(fā)現(xiàn)雖然電解槽的行為可以完全穩(wěn)定，但在原子尺度上，系統(tǒng)是非常動態(tài)的。 電極中的鐵原子反復(fù)脫落并重新附著在界面上，或發(fā)生重要產(chǎn)氧反應(yīng)的表面。 這種溶解和再沉積之間的仔細(xì)平衡允許材料的整體穩(wěn)定性。

該研究的第一作者、Argonne博士后科學(xué)家Dongyoung Jung說：“傳統(tǒng)上，科學(xué)家測量電解槽能產(chǎn)生氧氣的時間，他們用它來確定穩(wěn)定性。 “我們將材料在宏觀尺度上的整體穩(wěn)定性與材料在原子尺度上的穩(wěn)定性脫鉤，這將有助于我們理解和開發(fā)新材料?！?/p>

科學(xué)家們開發(fā)了超靈敏的電化學(xué)測量工具，以監(jiān)測在OER和測試系統(tǒng)中的鐵活性與不同水平的雜質(zhì)，看看哪些變量影響材料的整體穩(wěn)定性。 鐵在界面上的行為是材料在OER過程中能產(chǎn)生氧氣的程度的原因。

該研究的助理科學(xué)家Pietro Lopes說：“通過測量極高靈敏度的電極和電解質(zhì)中的鐵含量，我們發(fā)現(xiàn)了意想不到的差異，表明了鐵在系統(tǒng)中的動態(tài)穩(wěn)定性?！?/p>

材料中的動態(tài)穩(wěn)定性-以宏觀層面的穩(wěn)定行為為特征，盡管在原子層面上很高的活性-對電解槽并不一定是壞事。 科學(xué)家們希望利用他們對這一現(xiàn)象的新理解，創(chuàng)造出性能更好的材料。

洛佩斯說：“一旦我們確定了鐵的作用及其運動如何影響析氧過程，我們就可以對材料進(jìn)行改性，以利用動態(tài)穩(wěn)定性，確保鐵始終存在于界面上，從而促進(jìn)氧氣的產(chǎn)生?！?/p>

Argonne材料科學(xué)部門能源轉(zhuǎn)換和儲存小組組長Vojislav Stamenkovic說：“我們正在解決這一領(lǐng)域的一個重大誤解。 “虛擬穩(wěn)定性和真實穩(wěn)定性解耦的深刻含義將擴展生成活動和穩(wěn)定接口的設(shè)計規(guī)則。”

這項研究的相應(yīng)論文發(fā)表在3月16日的《自然能量》上，題目是“氫氧化物活性中心在析氧反應(yīng)中的動態(tài)穩(wěn)定性”。