Влияние pH на химические реакции в области чистой энергии
Давно известно, что pH, или кислотность или щёлочность среды, влияет на эффективность катализаторов в ключевых электрохимических реакциях. Однако, несмотря на десятилетия исследований, механизмы, лежащие в основе этих эффектов pH на атомном уровне, ускользали от учёных.
Новое исследование проливает свет на эту загадку
Новое исследование раскрывает, как электрические поля, свойства поверхности и динамика заряда взаимодействуют, чтобы управлять каталитической активностью. Результаты знаменуют значительный шаг к рациональному проектированию катализаторов, которые эффективно работают в различных средах, открывая путь для технологий чистой энергии нового поколения.
Статья опубликована в Journal of Materials Chemistry A.
Традиционные модели
Традиционные модели объясняли pH-зависимую активность в основном с помощью модели вычислительного водородного электрода (CHE) и уравнения Нернста. Эти модели связывали сдвиги в активности с изменениями потенциала и концентрации протонов.
Однако новое исследование показывает, что реальность гораздо сложнее и включает в себя сеть межфазных электрических полей и молекулярных взаимодействий, которые стандартные модели не могут полностью охватить.
Последние достижения
Последние достижения в экспериментальных и вычислительных методах показали, что такие свойства, как дипольные моменты, поляризуемость и потенциал нулевого заряда (PZC), играют решающую роль. Эти факторы определяют, как молекулы и ионы взаимодействуют с поверхностями катализаторов, напрямую влияя на скорость и селективность реакций.
Объединив знания из электрохимии, физики и компьютерного моделирования, исследование подчёркивает, как эти межфазные эффекты проявляются в широком спектре реакций, включая эволюцию водорода (HER), восстановление кислорода (ORR), восстановление углекислого газа (CO₂RR) и восстановление нитратов (NO₃RR). Эти реакции имеют большое значение для преобразования возобновляемой энергии, производства топлива и очистки окружающей среды.
«Наша работа показывает, что эффекты pH — это не просто явления на поверхности; они регулируются электрическим полем в межфазной среде», — сказал Хао Ли, профессор из Токийского университета передовых исследований материалов (WPI-AIMR), который возглавлял исследование. «Понимая и моделируя эти поля, мы можем предсказать, как катализаторы ведут себя в различных условиях pH, и в конечном итоге разработать более эффективные и устойчивые материалы».
Новые теоретические рамки
Исследование также представляет передовые теоретические рамки, которые выходят за рамки традиционных термодинамических описаний. В частности, диаграмма Пурбэя, ориентированная на обратимый водородный электрод (RHE), и pH-зависимая микрокинетическая модель вулкана обеспечивают более точное изображение каталитической активности и стабильности в различных электрохимических условиях.
Эти новые модели предлагают учёным мощный инструментарий для прогнозирования и оптимизации поведения катализаторов на атомном уровне. Интегрируя экспериментальные данные с компьютерным моделированием, исследователи теперь могут отображать, как незначительные изменения pH сдвигают пути реакций и определяют общую эффективность.
В будущем исследовательская группа планирует объединить молекулярную динамику с машинным обучением для моделирования условий реакции в реальном времени. Этот подход может открыть ещё более глубокое понимание того, как катализаторы эволюционируют во время работы, ещё больше ускоряя разработку высокоэффективных материалов для устойчивого энергетического будущего.
Предоставлено Токийским университетом.