电解质阳离子类型控制电极表面的电化学反应

由NIMS和芬兰于韦斯屈莱大学组成的国际研究小组通过其电极-电解质系统研究发现，电极表面氧还原反应(ORR)过程中电子和质子(即氢离子)的转移机制根据溶解在电解液中的阳离子的类型。这些结果表明，电化学系统(例如燃料电池和水电解制氢系统)的能量转换效率和选择性可以通过选择最佳反应途径来提高，并且这可以在不使用昂贵的电极材料的情况下实现。

大多数电化学反应发生在电极和电解液之间的界面处。因此，了解电极和电解质的结构和特性如何相互作用以控制其界面处的电化学反应速率和确定反应机制非常重要。众所周知，燃料电池中的 ORR 率受到溶解在电解质中的离子类型和浓度的影响。然而，详细的 ORR 途径以及电解离子如何影响这些途径尚不清楚。

该研究小组最近研究了碱性电解质和铂电极之间界面处发生的ORR，并首次发现ORR期间的电子和质子转移机制根据电解质中溶解的阳离子类型而变化。铂电极表面形成两种类型的 ORR 路径，每种路径产生不同的 ORR 产品：内球 (IS) 和外球 (OS) ORR 路径。在 IS ORR 途径中，电解质中的氧分子吸附到电极表面，接受来自电极的电子。然后分子氧中间体解离成原子氧中间体。相比之下，在 OS 路径中，氧分子在距电​​极表面稍远的位置接受来自电极的电子。使用高精度电化学测量和第一性原理计算进行的深入分析表明，当电解质含有锂离子时，OS途径往往会发生，而IS途径在含有钾和钠离子的电解质中更常见——与之前发表的一致发现。ORR 途径的这些差异可能归因于这些电解阳离子与电极表面、水分子和 ORR 中间体相互作用的方式。

本研究发现，除了改变电极材料成分的传统方法之外，还可以通过改变电解质成分来控制ORR机制。这一发现表明，即使不使用昂贵的电极材料，也可以提高电催化系统的能量转换效率。此外，通过提高电极和电解质的性能，实现更高的 ORR 效率并增加 ORR 途径选择可能是可行的。

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