Wie treibt Spannung nichtmetallische Katalysatoren an, um elektrokatalytische Reaktionen durchzuführen?

Zu verstehen, wie Spannung nanoskalige Elektrokatalysatoren antreibt, um Reaktionen auszulösen, ist eine grundlegende wissenschaftliche Frage. Dies stellt insbesondere bei nichtmetallischen Elektrokatalysatoren eine Herausforderung dar, da diese eine geringe inhärente Ladungsträgerkonzentration aufweisen, was zu einer schlechten Leitfähigkeit führt. Wenn an der Grenzfläche Nichtmetall/Lösung Spannung angelegt wird, wird die Situation komplexer als im Fall der Grenzflächen Metall/Lösung.

Eine bemerkenswerte Komplexität ist der erhebliche Potenzialabfall innerhalb des Nichtmetalls, der dazu führt, dass das Oberflächenpotenzial häufig vom Rückpotenzial abweicht. Die Analyse der treibenden Kraft chemischer Reaktionen durch die Anwendung klassischer Metallmodelle auf Nichtmetalle kann zu erheblichen Ungenauigkeiten führen.

Die Unterscheidung der Potenzialverteilung zwischen dem nichtmetallischen Katalysator und dem EDL beruht bisher noch auf komplexen theoretischen Berechnungen. Der tatsächliche Potentialabfall an der Halbleiter-Elektrolyt-Grenzfläche bleibt aufgrund des Mangels an In-situ-Techniken unbekannt.

Darüber hinaus liefert die konventionelle elektrochemische Charakterisierung nur Ensembleinformationen für Elektrodenmaterialien und vernachlässigt die räumliche Heterogenität in den elektronischen Strukturen von Katalysatoren. Daher ist eine ortsaufgelöste In-situ-Charakterisierungstechnik dringend erforderlich.

In einem neuen Forschungsartikel veröffentlicht in National Science ReviewWissenschaftler des Dalian Institute of Chemical Physics, der Chinese Academy of Sciences, der Xiamen University, der University of Chinese Academy of Sciences und des Imperial College London haben autonom ein In-situ-Oberflächenpotentialmikroskop konstruiert und erfolgreich das Oberflächenpotential der Basalebene von 2H-Molybdändisulfid gemessen unter verschiedenen Spannungen.

Diese Leistung befasst sich mit der experimentellen Herausforderung, die Potentialverteilung an der Grenzfläche Nichtmetall/Lösung direkt zu messen. Die Forschungsergebnisse verdeutlichen einen bemerkenswerten Unterschied in der Art und Weise, wie sich das Oberflächenpotential von Halbleitern mit der angelegten Spannung im Vergleich zu Metallen ändert.

Wenn eine Spannung von positiv auf negativ angelegt wird, verändern Halbleiter ihr Oberflächenpotential nicht mehr stabil, sondern zeigen Variationen an, die allmählich dem Verhalten von Metallen ähneln. Wissenschaftler haben die Unterschiede in den Potentialabfallwerten bei verschiedenen angelegten Spannungen zwischen dem Halbleiter (ΔVsem) und der Doppelschicht (ΔVedl) weiter geklärt.

Sie erklärten anschaulich, wie sich in einer Lösungsumgebung das Fermi-Niveau und die Bandstruktur des Halbleiters entwickeln, was eine Umwandlung des Halbleiters in ein hochleitfähiges Halbmetall demonstrierte.

Um die Rolle der Spannung bei elektrokatalytischen Reaktionen weiter zu untersuchen, verwendeten Wissenschaftler die elektrochemische Rasterkraftmikroskopie (AFM-SECM), um die Bildgebung des Elektronentransfers (ET) und der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) an Molybdändisulfid zu untersuchen. In der ET-Bildgebung zeigte die Basisebene des Halbleiters eine starke Fähigkeit zur Elektronenübertragung, vergleichbar mit der der Halbmetallkante. Die HER-Bildgebung zeigte jedoch eine katalytische Inertheit auf der Basalebene.

Die Ergebnisse der nanoelektrochemischen Bildgebung zeigten, dass die Spannung nur den ET-Schritt beeinflusst. Aufgrund des Fehlens von Wasserstoffadsorptionsstellen auf der Basalebene (dh chemischen Stellen) kann die Spannung die Elektronen auf der Basalebene nicht dazu bringen, weiter an chemischen Reaktionen teilzunehmen. Diese Arbeit ebnet den Weg für das rationale Design effizienter nichtmetallischer Elektrokatalysatoren, basierend auf dem Verständnis, wie Spannung auf nichtmetallische Katalysatoren im Nanomaßstab wirkt.