Nature Energy：双极膜和电解质-金属界面中的离子溶剂化动力学

一、 【科学背景】 

在生物或电化学领域，界面离子溶解指的是离子在带电界面处需要脱离或获取其溶剂壳的现象。与此相反，在水性介质中，每种电催化剂都需要从水性电解质中提取或注入溶解的质子或氢氧根离子，无论是在H₂O或CO₂电解器还是在H₂燃料电池中。然而，质子或氢氧根离子的溶解动力学尚不清楚，更不用说它们与其他带电反应物和产物的溶解动力学相比了，包括来自催化剂腐蚀的金属离子。目前，对催化剂活性、选择性和稳定性的理解忽视了界面溶解动力学，这限制了知识驱动型新能源转化技术的发展。

而固体-电解质界面处的离子溶解对能量和化学转化技术至关重要，如（电）催化、电池和双极膜技术。例如，在碱性介质中进行的电催化氢析反应中，水需要被解离并溶解氢氧根离子，这是一个尚未很好理解的过程。

二、【科学贡献】

近日，德国柏林马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所界面科学部Sebastian Z. Oener 团队在Nature Energy发表了题为“Ion solvation kinetics in bipolar membranes and at electrolyte–metal interfaces”的论文。该项研究报道了在聚合物双极膜和电解质-金属界面上孤立进行的水解离和离子溶解动力学。作者发现了激活熵和焓之间与偏压相关的关系，将其与界面电容的偏压相关分散联系在一起。此外，结果表明，OH^-的溶解动力学比H⁺的溶解动力学慢，而且溶解动力学表现出与催化剂结构无关的特征。作者将这归因于产生改变水界面熵的电场所需的普遍过量电荷量。在基础研究方面，这些结果对于推动基于知识的双极膜和电催化剂设计至关重要。

图1：在双极膜水解和水生成过程中的离子溶解。© 2024 Springer Nature

图2：不同程度电容耦合条件下的水解离和离子溶解。© 2024 Springer Nature

图3：界面电容在偏压依赖性熵-焓关系中的作用。© 2024 Springer Nature

图4：多物理模型和实验极化曲线。© 2024 Springer Nature

图5：在电容界面上离子（脱）溶解期间的熵-焓关系。© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

这项研究为电催化和电化学领域带来了创新性的见解。它揭示了Butler–Volmer理论在内球电化学中的局限性，并提出了考虑偏压依赖的活化熵和焓的新方法。此外，研究发现了离子溶解动力学在电化学反应中的关键作用，并指出了调节这些动力学的潜在机会，以改进能源转化技术的性能。该研究还提供了对离子驱动的电动机和离子泵等系统的新理解，为生物催化和构象酶动力学等领域的研究提供了新的视角。因此，这项研究为未来发展具有更高活性、选择性和稳定性的新一代电化学过程提供了重要的指导和启示。

原文详情：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