研究人员揭开界面电化学关键特征的面纱

康奈尔大学的材料科学家开发了一种方法，可以更好地理解发生在水和金属表面界面的复杂电化学反应——这种方法最终将导致更好的燃料电池和其他电化学技术。

固液界面是燃料电池极化的关键，因此它可以将燃料的化学能转化为电能，但科学家们一直在努力测量的一个关键特征是零电荷的电位，即金属电极没有多余表面的点收费。

由康奈尔大学领导的一个研究小组使用产生持续不到万亿分之一秒的光脉冲的飞秒激光器，首次能够在不使用侵入式探针分子的情况下量化铂-水界面的零电荷潜力.据资深作者、材料科学与工程副教授JinSuntivich称，该方法于2月13日发表在《自然材料》杂志上，为电化学中一个鲜为人知的领域提供了新的思路。

“人们推测界面上的电荷会随着我们改变电位而变化，但它究竟是如何变化的呢?”孙蒂维奇说。“这项研究为回答这个问题提供了第一步——当电荷为零时，潜力在哪里。”

研究人员通过利用电场引起的二次谐波生成实现了测量技术，该过程基于使用激光产生谐波输出信号的光学现象。

“我们首先测量零电荷铂表面的相位作为标记，”上海交通大学化学与化学工程终身教职副教授徐鹏涛说，他在康奈尔大学担任博士后助理时领导了这项研究。“然后，我们扫描了电极的电位并监测了它的相位，一旦我们超过这个标记，铂金表面就达到了零电荷状态。”

Pengtao和研究人员使用这种方法表明，可以通过将外来镍原子引入铂-水界面来改变零电荷的电势，并且这种变化与电催化活性的增加相关。

“了解零电荷的潜力并用另一种材料对其进行修饰可能有助于设计最佳的燃料电池电催化剂，”彭涛说，他补充说该研究有助于证实界面电场可以影响碱性环境中的电催化的假设。

Suntivich研究小组正在使用测量技术对其他类型的材料进行实验并扩展其应用。Suntivich说，最终，这项研究将有助于更好地了解静电如何在表面上实现能量转换反应。

“在非常小的范围内改变电场并用它来进行化学反应的想法是一项令人兴奋的尝试。许多康奈尔大学的研究人员已经奠定了静电学如何影响化学和材料科学的基础，”Suntivich说。“这项工作代表了朝着量化界面静电并找到中性位置迈出的一步——这是实现长期愿景的第一个标志。”