北京化工大学孙晓明教授团队|使用气泡泵浦消耗计时电流法揭示气体扩散电极中的阴离子效应

第一作者：张传毅，李梦翾

通讯作者：罗亮*，李晖*，孙晓明*

单位：北京化工大学

在燃料电池与电催化反应研究中，气体扩散电极（GDE） 是实现高效反应的关键结构。它通过在固体催化剂、液体电解质与气体反应物之间构建三相界面（TPB），实现了高通量的气体传质与电子转移。然而，即使在催化剂活性不断提升的今天，GDE 的性能依然常常被“气体扩散”这一隐性瓶颈所限制。更复杂的是，电解液阴离子的类型与浓度也在默默影响这一过程，在原位反应时的电浸润问题更加重了这一问题（图1）。而目前行业对GDE中受电解质效应影响的扩散问题认识不足，同时缺乏很好的手段观察表征。

北京化工大学孙晓明教授、罗亮副教授、李晖教授团队在《ACS Energy Letters》期刊上发表题为“Revealing the Anion Effect on Gas Diffusion Electrode by Bubble Pump Consumption Chronoamperometry”的文章。该工作采用气泡泵消耗计时安培法（BPCC），系统考察了在三种典型酸（H₂SO₄、HNO₃ 和 HClO₄）中，不同浓度与外加电位下 GDE 的氢氧化性能。结果表明，阴离子在催化剂表面的吸附会导致有效催化位点减少，并引起表面张力随阴离子浓度与施加电位的变化而改变。结合分子动力学模拟发现，GDE 内的气体扩散能力依次为 SO₄²⁻ > NO₃⁻ > ClO₄⁻，与 Hofmeister 阴离子序列一致。通过 BPCC 方法，本研究不仅从气体扩散的角度揭示了酸性条件下氢氧化动力学的本质机制，还为理解实际能量转换体系中由电浸润效应引起的润湿性变化提供了新的见解。

图2展示了所搭建的BPCC装置和所研究的三种酸的性能差异。主要由气体泵送装置，三电极测试装置，观察装置组成。通过泵送单个反应性的气泡进入电极，观察其气泡破裂行为以及电流相应曲线，拟合计算得到反应气体扩散电极性能的两个参数：气体扩散系数(D)和有效活性位点密度(ρEC)，从而评价电极扩散性能的好坏。

本研究揭示了在气体扩散电极（GDE）中，电压与阴离子通过影响扩散行为和润湿性，对氢氧化反应（HOR）产生的作用机制。通过拟合BPCC方法得到的电流响应曲线中的扩散-消耗动力学，我们发现电极的润湿性同时受到电压及阴离子种类与浓度的影响，这一现象与霍夫迈斯特序列（Hofmeister series）相吻合。研究表明，0.6–0.8 V 是同时诱导Pt氧化和气体阻塞的电位区间，提示阴离子在Pt活性位点上的吸附不仅改变了Pt的氧化态，也同时影响了其润湿性。我们进一步得出结论：在实际相关电位下，阴离子诱导的表面张力变化导致的疏水性降低，会在电润湿效应的放大作用下显著影响GDE内部的气体扩散行为，其顺序遵循 SO₄²⁻ > NO₃⁻ > ClO₄⁻。最终，不同阴离子类型导致了不同的气体扩散效率。结合分子动力学（MD）模拟，我们得以描绘出三维多孔结构GDE内部电润湿过程的轮廓。本研究表明，BPCC方法能够作为一种有力工具，用于追踪GDE在各种气体相关反应（GCRs）过程中润湿性或反应状态的动态变化，为电极结构的优化提供了新的启示。

Revealing the Anion Effect on Gas Diffusion Electrode by Bubble Pump Consumption Chronoamperometry

孙晓明，北京化工大学教授，博士生导师。2000年和2005年于清华大学化学系获理学学士和理学博士学位。2008年在斯坦福大学完成博士后研究回国，进入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室工作。2011年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2019获年中组部万人计划领军人才。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。目前已在Nature, Nat. Catal., Joule, Chem, Nat. Commun., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等国际能源材料与化学主流刊物以通讯作者发表论文200余篇，引用数三万余次；出版专著一本。申请国际专利13项，获授权3项；获国家发明专利授权80余项，近10项已经完成转化。曾主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金国际（地区）重点合作项目、国家重点研发项目等多项科研项目。

李晖，北京化工大学教授，博士生导师。2008年在南京大学理论和计算研究所获得理论化学专业博士学位，分别于2008-2009年和2009-2012年在新加坡国立大学和美国内布拉斯加大学林肯分校做博士后，2012年加入中科院物理研究所任副研究员，2017年成为北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心教授。主要利用“第一性原理理论模拟”研究”气液固界面”的微观结果、热力学性质和动力学行为。共发表SCI论文近150篇。专注于表界面体系的动力学性质，开展表面水的浸润、扩散、相变等行为的原理和应用研究，并取得了一系列原创性研究成果。