揭示了双层微环境在金属--碳催化剂上依赖pH的氧降解活性中的作用
Peng Li1, Yuzhou Jiao1, Yaner Ruan2
1Hubei Key Laboratory of Electrochemical Power Sources, College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan, 430072, China.
金属--碳催化剂由于水的界面结构不同,导致酸中的氧降解活性降低. 这一发现影响了用于质子交换膜燃料电池的先进催化剂的设计.
科学领域:
- 电化学 电化学 电化学
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 物理化学 物理化学
背景情况:
- 金属--碳 (M-N-C) 催化剂对于氧降解反应 (ORR) 是至关重要的.
- 一个重大挑战是,当从性电解质过渡到酸性电解质时,M-N-C催化剂的活性急剧下降.
- 这种依赖pH值的活性丧失的根本原因尚不清楚.
研究的目的:
- 阐明M-N-C催化剂pH依赖ORR活性背后的机制.
- 为了研究界面结构和水分子在ORR动力学中的作用.
- 为设计燃料电池改进的M-N-C催化剂提供见解.
主要方法:
- 使用FeCo-N6-C双原子催化剂作为模型系统.
- 使用ab initio分子动力学 (AIMD) 模拟来研究界面现象.
- 在现场应用表面增强红外吸收光谱 (SEIRAS) 来探测表面物种和水相互作用.
主要成果:
- 在性和酸性条件下确定了明显的界面双层结构.
- 反应步骤的能量被发现不如界面结构那么重要.
- 不同的表面电荷密度导致了不同的界面水方向和与中间体的结合.
- 这影响了ORR中质子合电子转移步骤的动力学.
结论:
- M-N-C催化剂的pH依赖ORR活性主要由界面双层结构及其对水相互作用的影响来控制.
- 了解这些界面效应是克服活动限制的关键.
- 这项研究为用于质子交换膜燃料电池 (PEMFCs) 的高性能M-N-C催化剂的合理设计开辟了道路.
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