研究人员开发了新的表征方法来研究水分解反应中使用的电极表面。
水分解被广泛认为是实现储氢的潜在有趣步骤，氢储存是一种无碳的可再生能源。在此过程中，水被分解成氢气和氧气，氢气在阴极电极表面分离。随后可以将氢气从电极中分离出来，并储存在氢燃料电池中以供以后使用。
水分解储氢面临许多技术和经济挑战。这些挑战包括酸性条件下的阳极腐蚀和阳极极化，这会缩短材料寿命，导致使用成本增加。如果阳极由某些特殊材料制成，例如铱及其氧化物或氢氧化物，则氧化问题就会小得多。由于铱是地球上最稀缺的元素之一，因此正在努力合成此类材料并优化其在阳极中的使用。为了开发这样的合成和优化策略，了解驱动这些材料稳定性和电化学活性的因素至关重要。现在，研究人员开发了新的表征方法来量化氧化铱电极表面上材料的量和参与反应的活性物质的位置。了解这些参数是表征现有电极和开发改进电极的关键。
图片来自 Velasco-Velez 等人，J. Am. Chem. Soc. 2021， 143， 32， 12524-12534，根据 CC 4.0 许可证复制。
在最近发表在《美国化学学会杂志》上的一篇论文中，来自五个不同国家的研究人员描述了操作X射线吸收光谱（XAS）与操作X射线光电子能谱（XPS）的组合使用，以提供有关阳极特性的补充信息。他们通过电极的精确纳米结构增强了从XAS收集的信息量，从而提高了其表面与体积比。通过将这些测量与计算相结合，确定了活性物质的性质及其在水电催化氧化过程中阳极表面和近表面区域的分布。在随后的步骤中，科学家们在电解质存在下对相同的电极进行了XPS，因此在阳极实际在真正的水分解装置中运行的条件下。除了确认使用XAS获得的结果外，他们还获得了仅XAS无法获得的进一步信息，例如近表面氧化态。这两种工具相互结合并与从头计算相结合，提供了一种强大的新方法，可用于改进用于水分解和储氢的铱基电极。
石墨烯在研究中发挥了重要的推动作用。Graphenea团队成员在氮化硅膜顶部生产和转移单层CVD石墨烯，由于石墨烯具有良好的导电性和密封性，石墨烯被用作电极。电极用铱纳米颗粒装饰，用于XAS和XPS研究。超薄但结构坚固的石墨烯是使用这些方法研究活性材料的理想支持。
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