研究人员阐明了在碱性介质中控制影响铂催化剂性能的表面氧化过程的机制。铂（Pt）电极对于氢燃料电池和电解等清洁能源技术至关重要。然而，在这些过程中发生的表面氧化会降低催化剂的性能和稳定性。为了解决这个问题，研究人员研究了铂表面在碱性介质中的表面氧化机制，这是一个以前从未探索过的研究领域。他们的实验揭示了有助于开发下一代催化剂的重要见解，为实现碳中和铺平了道路。
氢燃料电池和电解
对碳中和的追求推动了对清洁能源的探索，而氢燃料电池则是一条大有可为的途径。在这些电池中，氢气与氧气发生电化学反应，产生电和水。此外，这一过程的反向称为电解，可用于将水分离成氢和氧。这两种技术可以协同工作，提供清洁的可再生能源。铂（Pt）电极是这两种技术中的关键元素。
燃料电池技术面临的挑战
氢燃料电池由两个电极组成：阳极和阴极，两者之间有电解质。铂是碱性燃料电池和聚合物电解质燃料电池等低温燃料电池的基本催化剂。在PEFC 阴极工作电压的碱性和酸性条件下，铂在氧还原反应（ORR）中具有很高的活性，这对燃料电池至关重要。然而，这也会导致表面氧化物的形成，使铂层变得粗糙并溶解，最终使阴极降解，影响性能和稳定性。
因此，了解表面氧化物的形成机制对于开发在碱性条件下工作良好的铂阴极催化剂至关重要。研究表明，铂表面氧化物的形成取决于电极电位、电解质和电双层（EDL）。虽然已有研究对酸性介质中铂表面氧化物的形成和还原进行了研究，但很少有研究对碱性介质中的氧化物形成和还原进行研究，而碱性介质存在于带有阴离子交换膜的燃料电池和电解槽中。为了填补这一空白，日本千叶大学工程研究生院Masashi Nakamura 教授领导的研究小组深入研究了碱性介质中铂表面氧化物的形成机制。Nakamura 教授解释说：“在之前的研究中，我们曾报道过带有长烷基链的界面疏水离子可以增强ORR。
这表明，通过使用最佳的界面离子，有可能构建一个界面反应场，它不仅能激活ORR，还能提高铂电极的耐用性。”千叶大学工程研究生院的Tomoaki Kumeda 博士和Nagahiro Hoshi 教授，以及日本同步辐射研究所同步辐射研究中心的Osami Sakata 博士也参与了这项研究。他们的研究成果发表在Journal of the American Chemical Society上。
创新技术和发现
研究小组采用X 射线晶体截断棒 (CTR) 散射、基于金纳米粒子的表面增强拉曼光谱(GNP-SERS) 和红外反射吸收光谱 (IRAS) 等先进方法，研究了在含有不同阳离子（即锂阳离子(Li+)、钾阳离子 (K+) 和四甲基铵阳离子(TMA+) 的碱性水溶液中铂表面氧化物的形成。Nakamura 教授补充说：“研究表明，振动光谱和X 射线衍射相结合可以有效地阐明表面氧化过程。”X 射线CTR 显示，氧化物的形成导致表面屈曲和铂萃取。SERS和 IRAS 测量揭示了形成三种氧化物的可能性和阳离子依赖性，即红外（IR）活性吸附氢氧化物（OHad）、拉曼活性吸附水（H2O）ad和拉曼活性氧（Oad）。研究小组发现，亲水性阳离子（如Li+）能稳定红外活性 OHad，从而防止有害氧化物的形成，而中等亲水性的K+则没有保护作用。有趣的是，TMA+等笨重的疏水阳离子也能减少不可逆氧化，与Li+ 类似。值得注意的是，研究小组还发现，拉曼活性(H2O)ad 与邻近的拉曼活性 Oad 之间的静电排斥促进了铂的提取。
结论及对清洁能源的影响
这些结果表明，界面阳离子在铂表面氧化物的形成过程中起着至关重要的作用，可以通过选择适当的阳离子来控制氧化物的形成。在阐述这些结果时，Nakamura教授说：” 这些见解对于理解表面氧化机制和 EDL 结构至关重要，有利于实现高性能和稳定的铂电催化剂，以用于下一代电化学装置。总之，这项研究使我们在实现由丰富而清洁的氢气驱动的零碳未来的道路上又迈进了一步。（来源：scitechdaily）
