超疏水电极:高效的氧还原反应

超浸润界面材料有非常广泛的应用,在自清洁、防腐、防结冰、油水分离、水下减阻、高效液体收集及驱动、图案化表面、以及微流体芯片等领域发挥着非常重要的作用,其相关研究得到许多不同领域研究工作者的广泛关注。尤其是,具有超浸润性的电极材料表现出独特的对界面电化学反应的调控行为,可显著改善界面的传质和电荷传递行为,因此针对不同反应体系设计不同的超浸润电极成为电化学领域一个重要前沿课题。有研究表明:超亲水电极由于其水下超疏气的特性,对于气体生成型反应(比如电解水产氢和水合肼氧化),由于生成物气体可以及时脱离电极表面,从而显著提高反应效率。然而针对气体消耗型反应,实现气体反应物在三相界面上的最有效扩散需要保证电极表面三相接触界面的最大化,这就对电极的疏水性的精确调控提出了严格的要求,到目前为止依然是一个挑战。氧还原反应,作为典型的气体消耗型的固气液三相界面反应,是影响和决定诸多燃料电池能量转化效率的重要因素。目前,对于该反应的研究着力于非铂催化剂的开发,对电极材料表面浸润性调控很少涉及。在电极表面构筑有效三相接触界面(反应活性区域)是实现高效的氧还原反应的关键。

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图1:超疏水表面在(a)空气中的浸润状态和(b)水下的浸润状态:(c)水下Wenzel态,(d)水下Wenzel-Cassie共存态,(e)水下Cassie态。

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图2:不同水下浸润状态的超疏水电极的氧还原反应的典型的LSV曲线图和相应的水下浸润性状态的光学显微镜照片

北京航空航天大学化学学院刘欢课题组通过合理调控电极表面的微米结构,制备出具有不同水下浸润状态的超疏水电极。电化学实验表明:处于水下Wenzel-Cassie共存状态的超疏水电极是实现稳定的三相接触界面最大化的有效途径,从而可以显著提高氧还原反应的效率;而处于水下全浸润Wenzel状态(固液两相接触)和具有稳定连续气膜的Cassie状态(气固两相接触)的电极则表现出显著降低的反应效率。该研究揭示了超疏水(水下超亲气)电极在催化气体消耗型的发生在三相界面的电化学反应时,其效率并不是简单的随疏水性(亲气性)的增加而提高,而拥有稳定大面积的三相接触界面的Wenzel-Cassie共存态则是实现高效反应的关键。

本工作以彩页亮点文章的形式发表在 Small超浸润专刊(DOI: 10.1002/smll.201601250)上,第一作者为北京航空航天大学化学学院博士生王鹏伟。

参考文章:

Pengwei Wang, Toru Hayashi, Qing’an Meng, Qianbin Wang, Huan Liu,* Kazuhito Hashimoto, and Lei Jiang, Highly boosted ORR activity by tuning the underwater wetting state of the superhydrophobic electrode, Small, 2017, 13, 1601250

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