Ученые выяснили, как электрические поля управляют скоростью реакций на катализаторах
Исследователи из отдела науки о поверхностях Института, работающие под руководством доктора Себастьяна Энера и профессора Рольдана Куэньи, обнаружили, что на электрохимические реакции на границе раздела твердое тело-раствор влияют два тесно связанных, но разных фактора: приложенный потенциал и электрические поля в окружающей среде. Они научились управлять этими факторами независимо и изучили их влияние на параметры активации реакций. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry. Об этом пишет сайт Phys.org.
Электрохимические реакции лежат в основе топливных элементов и электролизеров — технологий, важных для энергетического перехода. Энергетическая стоимость таких реакций напрямую связана с перенапряжением, и его снижение помогает сделать технологии конкурентоспособными с ископаемым топливом. Однако до сих пор природа кинетических ограничений оставалась плохо изученной.
Доктор Энер объясняет, что перенапряжение может вызывать электрическую поляризацию, изменять покрытие поверхности промежуточными веществами и даже структуру электрода. Чтобы отделить эти эффекты, они с доктором Франсиско Сарабией выбрали тестовую реакцию — окисление CO на поверхности Pt(111). Аспирантка Каролина Ашендорф адсорбировала известное количество монооксида углерода на поверхность платины, а затем снимала его при ступенчатом потенциале, чтобы рассчитать остаточное покрытие.
Оказалось, что покрытие CO влияет на локальный заряд в химических связях, что меняет работу выхода и химический потенциал электронов. Это уже наблюдал Герхард Эртль в условиях сверхвысокого вакуума, и команда подтвердила, что подобное перераспределение заряда модулирует потенциал нулевого общего заряда на поверхности и сказывается на кинетике.
Когда приложенный потенциал увеличивали, энергия активации падала — реакция шла легче. Но если потенциал фиксировали, а разность между ним и потенциалом нулевого заряда росла, энергия активации возрастала. Это противоречивое поведение, вероятно, связано с переориентацией молекул воды в двойном слое. Результаты открывают путь к управлению не только активностью, но и селективностью многостадийных реакций за счет изменения электрических полей — это может снизить стоимость зеленого водорода.
