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科学家在原子尺度上发现电化学界面的动力学特征

更新时间:2020-05-10

在能源生产中寻找化石燃料的可行替代品的努力最近经历了一场革命,因为科学家们正在寻找不需要贵金属材料来产生活跃稳定的反应。

其中许多反应的核心是析氧反应(OER),这是电解器中的水分解的一个重要电化学部分,可产生氢气,为燃料电池提供动力。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们利用高精度材料科学和电化学相结合的方法,对析氧反应过程中驱动材料的稳定性和活性的机制进行了深入研究。研究成果将指导电化学燃料生产材料的实际设计。

我们的解释在原子尺度和宏观尺度上消除了一些围绕杂质对材料稳定性的影响的迷雾,阿贡研究员Nenad Markovic说,他是实验室材料科学部门的化学家。

科学家们研究了一种被称为氧化氢的电解槽材料,发现尽管电解槽的行为似乎完全稳定,但在原子尺度上,该系统是动态的。电极中的铁原子会反复脱落,并重新附着在界面上,或者说是发生重要的、产生氧气反应的表面。这种溶解和再沉积之间的平衡使得材料的整体稳定性得以实现。

一般来说,科学家们会测量电解槽能产生氧气的时间,他们用这个来确定稳定性,阿贡博士后科学家Dongyoung Jung说,他是这项研究的第一作者。我们在宏观尺度上将材料的整体稳定性与原子尺度上的稳定性解耦,这将有助于我们理解和开发新材料。

科学家们开发了超灵敏的电化学测量工具,在OER过程中监测铁的活性,并在不同水平的杂质中测试该系统,看看是什么变量影响了材料的整体稳定性。铁在界面上的行为决定了该材料在OER过程中的制氧能力。

通过测量电极和电解液中的铁含量,以超高的灵敏度,我们发现了意想不到的差异,这些差异指向了系统中铁的动态稳定性。负责这项研究的阿贡助理科学家Pietro Lopes说。

材料中的动态稳定性(尽管在原子水平上的活性很高,但在宏观层面上的行为却很稳定)对于电解器来说,这种动态稳定性并不一定是坏事。科学家们希望利用他们对这一现象的新认识,创造出性能更好的材料。

一旦我们确定了铁的作用以及它的运动如何影响析氧过程,我们就可以修改材料,利用动态稳定性,确保铁始终存在于界面上,促进氧气的产生。Lopes说。

阿贡材料科学部门能源转换和存储组组组长Vojislav Stamenkovic说:虚拟稳定性和真实稳定性解耦的深刻含义将扩展到生产主动稳定界面的设计规则。

该研究的相应论文于3月16日发表在《Nature Energy》上,题目为《Dynamic stability of active sites in hydr(oxy)oxides for the oxygen evolution reaction》。

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