Materialwissenschaftler am Cornell haben eine Methode zum besseren Verständnis der komplexen elektrochemischen Reaktionen entwickelt, die an der Grenzfläche von Wasser und Metalloberflächen ablaufen – ein Ansatz, der letztendlich zu besseren Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Technologien führen wird.
Fest-Flüssig-Grenzflächen sind der Schlüssel zur Polarisierung einer Brennstoffzelle, damit sie die chemische Energie eines Brennstoffs in Elektrizität umwandeln kann, aber ein Schlüsselmerkmal, das Wissenschaftler nur schwer messen können, ist das Nullladungspotential, der Punkt, an dem eine Metallelektrode keine überschüssige Oberfläche hat Aufladung.
Unter Verwendung von Femtosekundenlasern, die einen Lichtimpuls erzeugen, der weniger als eine Billionstel Sekunde dauert, konnte ein Forschungsteam unter der Leitung von Cornell erstmals das Potenzial der Nullladung einer Platin-Wasser-Grenzfläche ohne den Einsatz von invasiven Sondenmolekülen quantifizieren . Die Methode wurde am 13. Februar in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialienund wirft ein neues Licht auf einen kaum verstandenen Bereich der Elektrochemie, so Seniorautor Jin Suntivich, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik.
„Die Leute haben die Theorie aufgestellt, dass sich die Ladung an der Grenzfläche ändert, wenn wir das Potenzial ändern, aber wie genau ändert sie sich?“ sagte Suntivich. „Diese Studie liefert den ersten Schritt zur Beantwortung dieser Frage – wo ist das Potenzial, wenn die Ladung netto Null ist?“
Die Forscher erreichten die Messtechnik, indem sie die durch ein elektrisches Feld induzierte zweite harmonische Erzeugung nutzten, ein Prozess, der auf einem optischen Phänomen basiert, das Laser verwendet, um ein harmonisches Ausgangssignal zu erzeugen.
„Wir messen zuerst die Phase einer ladungslosen Platinoberfläche als Markierung“, sagte Pengtao Xu, ein außerordentlicher Tenure-Track-Professor für Chemie und Chemieingenieurwesen an der Shanghai Jiao Tong University, der die Forschung als Postdoktorand am Cornell leitete. „Dann haben wir das Potential der Elektrode gescannt und ihre Phase überwacht. Sobald wir diese Marke überschritten haben, hat die Platinoberfläche ihren Nullladungszustand erreicht.“
Mit dieser Methode zeigten Pengtao und die Forscher, dass das Nullladungspotential durch Einführen fremder Nickelatome in die Platin-Wasser-Grenzfläche verändert werden kann und die Veränderung mit einer erhöhten elektrokatalytischen Aktivität korreliert.
„Das Potenzial der Nullladung zu kennen und es mit einem anderen Material zu modifizieren, könnte helfen, optimale Brennstoffzellen-Elektrokatalysatoren zu entwerfen“, sagte Pengtao, der hinzufügte, dass die Studie dazu beigetragen habe, die Hypothese zu bestätigen, dass das elektrische Grenzflächenfeld die Elektrokatalyse in alkalischen Umgebungen beeinflussen kann.
Die Suntivich-Forschungsgruppe nutzt die Messtechnik, um mit anderen Arten von Materialien zu experimentieren und ihre Anwendungen zu erweitern. Suntivich sagte, dass die Forschung letztendlich zu einem besseren Verständnis darüber beitragen wird, wie Elektrostatik Energieumwandlungsreaktionen auf Oberflächen ermöglicht.
„Die Idee, ein elektrisches Feld in sehr kleinem Maßstab zu modifizieren und damit Chemie zu betreiben, ist ein spannendes Unterfangen. Viele Cornell-Forscher haben den Grundstein dafür gelegt, wie Elektrostatik Chemie und Materialwissenschaften beeinflusst“, sagte Suntivich. „Diese Arbeit stellt einen Schritt zur Quantifizierung der Elektrostatik an einer Grenzfläche dar und stellt fest, wo sie neutral ist – ein erster Marker für diese langfristige Vision.“
Mehr Informationen:
Pengtao Xu et al, Optisches Verfahren zur Quantifizierung des Potentials der Nullladung an der elektrochemischen Platin-Wasser-Grenzfläche, Naturmaterialien (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01474-8