Nature Energy：雙極膜和電解質-金屬界面中的離子溶劑化動力學

jiojio 33分鐘前 15瀏覽

一、 【科學背景】?

在生物或電化學領域，界面離子溶解指的是離子在帶電界面處需要脫離或獲取其溶劑殼的現象。與此相反，在水性介質中，每種電催化劑都需要從水性電解質中提取或注入溶解的質子或氫氧根離子，無論是在H2O或CO2電解器還是在H2燃料電池中。然而，質子或氫氧根離子的溶解動力學尚不清楚，更不用說它們與其他帶電反應物和產物的溶解動力學相比了，包括來自催化劑腐蝕的金屬離子。目前，對催化劑活性、選擇性和穩定性的理解忽視了界面溶解動力學，這限制了知識驅動型新能源轉化技術的發展。

而固體-電解質界面處的離子溶解對能量和化學轉化技術至關重要，如（電）催化、電池和雙極膜技術。例如，在堿性介質中進行的電催化氫析反應中，水需要被解離并溶解氫氧根離子，這是一個尚未很好理解的過程。

二、【科學貢獻】

近日，德國柏林馬克斯·普朗克學會弗里茨·哈伯研究所界面科學部Sebastian Z. Oener 團隊在Nature Energy發表了題為“Ion solvation kinetics in bipolar membranes and at electrolyte–metal interfaces”的論文。該項研究報道了在聚合物雙極膜和電解質-金屬界面上孤立進行的水解離和離子溶解動力學。作者發現了激活熵和焓之間與偏壓相關的關系，將其與界面電容的偏壓相關分散聯系在一起。此外，結果表明，OH-的溶解動力學比H+的溶解動力學慢，而且溶解動力學表現出與催化劑結構無關的特征。作者將這歸因于產生改變水界面熵的電場所需的普遍過量電荷量。在基礎研究方面，這些結果對于推動基于知識的雙極膜和電催化劑設計至關重要。

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圖1：在雙極膜水解和水生成過程中的離子溶解。? 2024 Springer Nature

圖2：不同程度電容耦合條件下的水解離和離子溶解。? 2024 Springer Nature

圖3：界面電容在偏壓依賴性熵-焓關系中的作用。? 2024 Springer Nature

圖4：多物理模型和實驗極化曲線。? 2024 Springer Nature

圖5：在電容界面上離子（脫）溶解期間的熵-焓關系。? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

這項研究為電催化和電化學領域帶來了創新性的見解。它揭示了Butler–Volmer理論在內球電化學中的局限性，并提出了考慮偏壓依賴的活化熵和焓的新方法。此外，研究發現了離子溶解動力學在電化學反應中的關鍵作用，并指出了調節這些動力學的潛在機會，以改進能源轉化技術的性能。該研究還提供了對離子驅動的電動機和離子泵等系統的新理解，為生物催化和構象酶動力學等領域的研究提供了新的視角。因此，這項研究為未來發展具有更高活性、選擇性和穩定性的新一代電化學過程提供了重要的指導和啟示。

 

原文詳情：Rodellar, C.G., Gisbert-Gonzalez, J.M., Sarabia, F. et al. Ion solvation kinetics in bipolar membranes and at electrolyte–metal interfaces. Nat Energy (2024).

https://doi.org/10.1038/s41560-024-01484-z

本文由jiojio供稿

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