質子在電極表面和電解質之間的運動會產生電流，而這一關鍵的化學反應是許多能源技術（包括燃料電池和用於生產氫氣的電解槽）的關鍵步驟。關於質子耦合電子轉移如何在電極表面發生的新見解，可以幫助研究人員設計出更有效率的燃料電池和電解槽。

麻省理工學院的化學家們首次詳細描繪了這些質子耦合電子轉移是如何在電極表面發生的。他們的研究成果可以幫助研究人員設計出更有效率的燃料電池、電池或其他能源技術。

麻省理工學院化學和化學工程教授、該研究的資深作者Yogesh Surendranath 說：”我們在這篇論文中取得的進展是研究和理解了這些電子和質子如何在表面部位耦合的性質，這與催化反應有關，而催化反應在能量轉換裝置或催化反應中非常重要。”

在他們的研究成果中，研究人員能夠準確追蹤電極周圍電解質溶液pH 值的變化如何影響電極內質子運動和電子流動的速度。

麻省理工學院研究生諾亞-劉易斯（Noah Lewis）是這篇論文的第一作者，論文最近發表在《自然-化學》。麻省理工學院前博士後Ryan Bisbey、麻省理工學院研究生Karl Westendorff 和耶魯大學研究科學家Alexander Soudackov 也是這篇論文的作者。

質子傳遞

質子耦合電子轉移是指一種分子（通常是水或酸）將質子轉移到另一個分子或電極表面，從而刺激質子接受者也接受一個電子。這種反應已被廣泛應用於能源領域。

“這些質子耦合電子轉移反應無所不在。它們通常是催化機制中的關鍵步驟，對於氫氣或燃料電池催化等能量轉換過程尤其重要，”Surendranath 說。

在製氫電解槽中，這種方法用於從水中去除質子，並在質子上添加電子以形成氫氣。在燃料電池中，當質子和電子從氫氣中移出並加入氧氣形成水時，就會產生電能。

施加電位會導致質子從氫離子（右圖）轉移到電極表面。利用具有分子定義質子結合位點的電極，麻省理工學院的研究人員為這些界面質子耦合電子轉移反應建立了一個通用模型。圖片來源：研究人員提供

質子耦合電子轉移在許多其他類型的化學反應中都很常見，例如二氧化碳還原（透過添加電子和質子將二氧化碳轉化為化學燃料）。當質子接受體是分子時，科學家可以精確控制每個分子的結構，並觀察電子和質子如何在分子間傳遞，因此他們已經對這些反應的發生過程有了很多了解。然而，當質子耦合電子轉移發生在電極表面時，這個過程就更難研究了，因為電極表面通常非常異質，質子有可能與許多不同的位點結合。

為了克服這一障礙，麻省理工學院的研究小組開發出一種設計電極表面的方法，使他們能夠更精確地控制電極表面的組成。他們的電極由石墨烯薄片組成，表面附著有機含環化合物。每個有機分子的末端都有一個帶負電荷的氧離子，它可以接受周圍溶液中的質子，從而使電子從電路流入石墨表面。

Surendranath 說：”我們可以創造出一種電極，它不是由各種各樣的位點組成，而是由單一類型的非常明確的位點組成的統一陣列，每個位點都能以相同的親和力結合質子。由於我們擁有這些非常明確的位點，這讓我們能夠真正揭示這些過程的動力學”。

利用這個系統，研究人員能夠測量流向電極的電流，從而計算出平衡狀態下質子轉移到表面氧離子的速率–質子向表面捐贈的速率和質子從表面轉移回溶液的速率相等的狀態。他們發現，周圍溶液的pH 值對此速率有顯著影響： 最高速率出現在pH 值的兩端–酸性最強的pH 值為0，鹼性最強的pH 值為14。

為了解釋這些結果，研究人員根據電極可能發生的兩種反應建立了一個模型。在第一種反應中，強酸性溶液中高濃度的氫離子（H3O+）將質子傳遞到表面的氧離子，生成水。在第二種情況下，水將質子傳遞到表面氧離子，生成氫氧根離子（OH-），氫氧根離子在強鹼性溶液中濃度較高。

不過，pH 值為0 時的速度比pH 值為14 時的速度快四倍，部分原因是氫離子釋放質子的速度比水快。

需要重新考慮的反應

研究人員也驚訝地發現，這兩個反應的速率並不是中性pH 值為7（氫銨和氫氧根的濃度相等）時相等，而是在pH 值為10（氫氧根離子的濃度是氫銨的100 萬倍）時相等。該模型表明，這是因為涉及氫鎓或水提供質子的前向反應比涉及水或氫氧化物去除質子的後向反應對總速率的貢獻更大。

研究人員說，關於這些反應如何在電極表面發生的現有模型假定，前向反應和後向反應對總速率的貢獻相同，因此新發現表明，可能需要重新考慮這些模型。

Surendranath說：「這是預設的假設，即正向和逆向反應對反應速率的貢獻相同。我們的發現確實令人大開眼界，因為這意味著人們用來分析從燃料電池催化到氫進化等一切問題的假設可能是我們需要重新審視的。”

研究人員目前正在利用他們的實驗裝置研究在電極周圍的電解質溶液中添加不同類型的離子會如何加快或減慢質子耦合電子流的速度。

路易斯說：”透過我們的系統，我們知道我們的位點是恆定的，不會相互影響，因此我們可以讀出溶液的變化對錶面反應的影響。”

編譯自/ /scitechdaily