科學(xué)家們?cè)谠映叨壬习l(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的動(dòng)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(chǎng)革命，因?yàn)榭茖W(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(guó)能源部Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jī)制，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定和活動(dòng)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(shí)際設(shè)計(jì)。

Argonne杰出研究員Nenad Markovic說(shuō)：“我們的解釋消除了雜質(zhì)在原子尺度和宏觀尺度上對(duì)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(dòng)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(shuō)：“傳統(tǒng)上，科學(xué)家測(cè)量電解槽能產(chǎn)生氧氣的時(shí)間，他們用它來(lái)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(kāi)發(fā)新材料?！?/p>

科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了超靈敏的電化學(xué)測(cè)量工具，以監(jiān)測(cè)在OER和測(cè)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(guò)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(shuō)：“通過(guò)測(cè)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性?！?/p>

材料中的動(dòng)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(duì)電解槽并不一定是壞事。 科學(xué)家們希望利用他們對(duì)這一現(xiàn)象的新理解，創(chuàng)造出性能更好的材料。

洛佩斯說(shuō)：“一旦我們確定了鐵的作用及其運(yùn)動(dòng)如何影響析氧過(guò)程，我們就可以對(duì)材料進(jìn)行改性，以利用動(dòng)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(chǔ)存小組組長(zhǎng)Vojislav Stamenkovic說(shuō)：“我們正在解決這一領(lǐng)域的一個(gè)重大誤解。 “虛擬穩(wěn)定性和真實(shí)穩(wěn)定性解耦的深刻含義將擴(kuò)展生成活動(dòng)和穩(wěn)定接口的設(shè)計(jì)規(guī)則?！?/p>

這項(xiàng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性”。