康奈爾大學(xué)的材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種方法來更好地理解在水和金屬表面界面發(fā)生的復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)，這種方法最終將導(dǎo)致更好的燃料電池和其他電化學(xué)技術(shù)。

固液界面是使燃料電池極化的關(guān)鍵，因此它可以將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，但科學(xué)家們一直在努力測量的一個關(guān)鍵特征是零電荷的潛力，即金屬電極沒有多余的表面電荷。

使用產(chǎn)生持續(xù)不到萬億分之一秒的光脈沖的飛秒激光器，由康奈爾領(lǐng)導(dǎo)的研究小組能夠在不使用侵入性探針分子的情況下首次量化鉑 - 水界面零電荷的潛力。該方法于13月<>日發(fā)表在《自然材料》雜志上，并為電化學(xué)的一個鮮為人知的領(lǐng)域提供了新的線索，資深作者，材料科學(xué)與工程副教授Jin Suntivich說。

“人們已經(jīng)推測，隨著電位的變化，界面上的電荷會發(fā)生變化，但它究竟是如何變化的呢?”桑蒂維奇說。“這項研究提供了回答這個問題的第一步——當(dāng)費用為凈零時，潛力在哪里。”

研究人員通過利用電場誘導(dǎo)的二次諧波產(chǎn)生來實現(xiàn)測量技術(shù)，這是一種基于光學(xué)現(xiàn)象的過程，該過程使用激光產(chǎn)生諧波輸出信號。

“我們首先測量零電荷鉑表面的相位作為標(biāo)記，”上海交通大學(xué)化學(xué)和化學(xué)工程終身副教授徐鵬濤說，他是康奈爾大學(xué)的博士后研究員，領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。“然后，我們掃描了電極的電位并監(jiān)測了它的相位，然后一旦我們超過這個標(biāo)記，鉑表面就達(dá)到了零電荷狀態(tài)。

使用這種方法，Pengtao和研究人員表明，通過將外來鎳原子引入鉑 - 水界面可以改變零電荷的電位，并且這種變化與電催化活性的增加相關(guān)。

“了解零電荷的潛力并用另一種材料對其進(jìn)行修飾可能有助于設(shè)計最佳的燃料電池電催化劑，”Pengtao說，他補(bǔ)充說，該研究有助于證實界面電場可以影響堿性環(huán)境中電催化的假設(shè)。

Suntivich研究小組正在使用測量技術(shù)對其他類型的材料進(jìn)行實驗并擴(kuò)展其應(yīng)用。Suntivich說，最終，這項研究將有助于更好地了解靜電如何使表面上的能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)成為可能。

“在非常小的尺度上改變電場并將其用于化學(xué)的想法是一項令人興奮的努力。許多康奈爾大學(xué)的研究人員已經(jīng)為靜電如何影響化學(xué)和材料科學(xué)奠定了基礎(chǔ)，“Suntivich說。“這項工作代表了量化界面靜電并找到中性位置的一步 - 這是實現(xiàn)長期愿景的第一個標(biāo)志。