研究碱性介质中铂催化剂的表面萃取

发布时间：2024-04-25 15:55:22 栏目：精选知识

导读 对碳中和的追求推动了对清洁能源的探索，氢燃料电池成为一条有前途的途径。在这些电池中，氢与氧发生电化学反应，产生电和水。此外，该过程...

对碳中和的追求推动了对清洁能源的探索，氢燃料电池成为一条有前途的途径。在这些电池中，氢与氧发生电化学反应，产生电和水。此外，该过程的逆过程称为电解，可用于分解大量可用的水以产生氢气和氧气。这两种技术可以协同工作，提供清洁和可再生的能源。这两项技术的关键要素是铂 (Pt) 电极。



氢燃料电池由两个电极组成：阳极和阴极，它们之间有电解质。 Pt 是低温燃料电池的基本催化剂，例如碱性燃料电池和聚合物电解质燃料电池(PEFC)。 Pt 在 PEFC 阴极工作电压下的碱性和酸性条件下对氧还原反应 (ORR) 具有很高的活性，这对于燃料电池至关重要。然而，这也会导致表面形成氧化物，使铂层变得粗糙并溶解，最终降低阴极性能并影响性能和稳定性。因此，了解表面氧化物形成机制对于开发在碱性条件下工作良好的 Pt 阴极催化剂至关重要。研究表明，Pt 表面氧化物的形成取决于电极电位、电解质和双电层(EDL)。虽然研究已经研究了酸性介质中 Pt 表面氧化物的形成和还原，但很少有人研究碱性介质中的氧化物形成和还原，这些碱性介质存在于带有阴离子交换膜的燃料电池和电解槽中。

为了解决这一差距，日本千叶大学工程研究生院 Masashi Nakamura 教授领导的研究小组深入研究了碱性介质中 Pt 表面的氧化物形成机制。“在之前的一项研究中，我们报道了具有长烷基链的界面疏水离子可以增强 ORR。这表明可以构建一个界面反应场，不仅可以激活 ORR，还可以通过使用最佳界面离子来提高 Pt 电极的耐用性。” Nakamura 教授解释道。这项研究还包括千叶大学工程研究生院的 Tomoaki Kumeda 博士和 Nagahiro Hoshi 教授，以及日本同步辐射研究所同步辐射研究中心的 Osami Sakata 博士的贡献。他们的研究结果发表在《美国化学会杂志》上。

该团队利用X射线等先进方法，研究了含有不同阳离子，即锂阳离子(Li +)、钾(K +)阳离子和四甲基铵阳离子(TMA + )的碱性水溶液中Pt(111)表面氧化物的形成情况晶体截断棒(CTR)散射、基于金纳米颗粒的表面增强拉曼光谱(GNP-SERS)和红外反射吸收光谱(IRAS)。“研究表明，振动光谱和 X 射线衍射的结合可以有效地阐明表面氧化过程，” Nakamura 教授补充道。

X 射线 CTR 显示氧化物的形成会导致表面屈曲和 Pt 萃取。 SERS 和 IRAS 测量揭示了三种氧化物的潜在和阳离子依赖性形成，即红外 (IR) 活性吸附氢氧化物 OH (OH ad )、拉曼活性吸附水 (H 2 O) ad和拉曼活性氧 (O广告)。研究小组发现，像Li+这样的亲水性阳离子可以稳定红外活性的OH ad，从而防止有害氧化物的形成，而K+的中等亲水性则没有保护作用。有趣的是，与Li +类似，TMA +等大体积疏水性阳离子也能减少不可逆氧化。值得注意的是，该团队还发现拉曼活性 (H 2 O) ad与邻近的拉曼活性 O ad之间的静电排斥有利于 Pt 的萃取。

这些结果表明界面阳离子在 Pt 表面氧化物的形成中起着重要作用，这可以通过选择适当的阳离子来控制。在详细阐述这些结果时，Nakamura 教授表示：“这些见解对于理解表面氧化机制和 EDL 结构至关重要，这有助于实现用于下一代电化学设备的高性能且稳定的 Pt 电催化剂。”

总体而言，这项研究使我们在实现由丰富且清洁的氢气驱动的零碳未来方面又向前迈进了一步。