汽車(chē)系在車(chē)用燃料電池核心部件基礎(chǔ)理論上取得重要進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)6月16日電 近日，汽車(chē)系張劍波教授團(tuán)隊(duì)和加拿大西門(mén)菲莎大學(xué)化學(xué)系Michael Eikerling教授團(tuán)隊(duì)合作在《物理化學(xué)雜志C輯》（The Journal of Physical Chemistry C）上發(fā)表題為《鉑金的非單調(diào)表面帶電行為：范式的轉(zhuǎn)變》（Non-monotonic surface charging behavior of platinum: A paradigm change）的研究論文。該研究在雙電層（electrochemical double layer）理論上邁出重要一步，首次以理論自洽的方式揭示了鉑金表面的非單調(diào)帶電行為，突破了一個(gè)世紀(jì)以來(lái)基于零電荷電位（potential of zero charge, pzc）概念的電極表面單調(diào)帶電行為的經(jīng)典范式。同時(shí)，該研究闡釋了帶電電極表面與溶液離子之間的靜電學(xué)作用，開(kāi)辟了車(chē)用燃料電池核心部件催化劑層構(gòu)效關(guān)系研究的新視角。汽車(chē)系博士生黃俊為論文第一作者，張劍波教授和Michael Eikerling教授為共同通訊作者。論文作者還包括西門(mén)菲莎大學(xué)Eikerling教授團(tuán)隊(duì)的Ali Malek博士。
該論文同時(shí)被評(píng)選為美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)編輯選擇獎(jiǎng)（ACS editors’ choice）。本獎(jiǎng)項(xiàng)為美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)基于世界各地400余位資深編輯的推選，從旗下44種期刊（包括JACS, Nano Lett., ACS Nano等）發(fā)表的文章中，每日選擇一篇具有重要科學(xué)意義的文章，作為永久免費(fèi)資源進(jìn)行推廣。
考慮電極表面氧化的雙電層界面模型（左）及鉑金的非單調(diào)表面帶電行為（右）。
有序納米結(jié)構(gòu)薄膜（nanostructure thin film, NSTF）鉑金電極是下一代車(chē)用燃料電池催化劑層的研究熱門(mén)。由于不含傳統(tǒng)質(zhì)子導(dǎo)體ionomer，NSTF鉑金電極的質(zhì)子傳導(dǎo)率是大家普遍關(guān)心的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。鉑金表面的帶電行為是破解這一問(wèn)題的核心鑰碼。如果鉑金表面帶負(fù)電荷，那么靜電吸引可以大大增加NSTF鉑金電極中的質(zhì)子濃度，從而消除人們對(duì)NSTF電極質(zhì)子傳導(dǎo)率的擔(dān)憂(yōu)。一直以來(lái)，人們普遍采用著名電化學(xué)家A.N. Frumkin于1928年提出的pzc概念來(lái)描述電極表面帶電行為。當(dāng)電極電位高于pzc時(shí)，電極表面帶正電，反之，電極表面帶負(fù)電。大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定鉑金電極的pzc在0.2-0.4 V之間。那么在pzc概念下，NSTF鉑金電極在正常工作電壓范圍（0.6-0.9 V）應(yīng)該表面帶正電荷，從而排斥質(zhì)子。單調(diào)帶電行為的經(jīng)典范式無(wú)法解釋NSTF鉑金電極優(yōu)異的發(fā)電性能。
本研究通過(guò)考慮表面氧化帶給鉑金-溶液雙電層結(jié)構(gòu)的變化，以理論自洽的方式得到了鉑金表面帶電行為的理論模型。該模型突破了基于pzc的單調(diào)帶電行為的經(jīng)典范式，揭示了鉑金電極在高電位區(qū)域表面帶負(fù)電荷的非單調(diào)現(xiàn)象。基于該模型，雙方團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步合作研究了NSTF鉑金電極的基本單元——注水鉑金納米孔——的質(zhì)子傳導(dǎo)率以及發(fā)電性能，相關(guān)成果以“Theory of electrostatic phenomena in water-filled Pt nanopore”為題發(fā)表在《法拉第論壇》（Faraday Discussions）上。
上述研究工作是汽車(chē)系張劍波教授研究組與加拿大西門(mén)菲莎大學(xué)化學(xué)系Michael Eikerling教授研究組開(kāi)展合作的成果，得到了汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、東芝公司、國(guó)家留學(xué)基金委的資助。
文章鏈接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.6b03930
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2016/fd/c6fd00094k
供稿：汽車(chē)系 編輯：田心
