摘要：多年来，科学家们一直被一个奇怪的问题所困扰：为什么通常稳定的铂电极在电化学装置中腐蚀得如此之快？SLAC 国家加速器实验室和莱顿大学合作利用尖端的 X 射线技术破解了这个问题。

多年来，科学家们一直被一个奇怪的问题所困扰：为什么通常稳定的铂电极在电化学装置中腐蚀得如此之快？SLAC 国家加速器实验室和莱顿大学合作利用尖端的 X 射线技术破解了这个问题。

他们发现，造成降解的是铂氢化物，而不是曾经怀疑的钠离子。这一发现可能会彻底改变氢气生产和电化学传感器的耐用性，从而可能降低成本并提高效率。

解开代价高昂的谜团

近 20 年来，科学家一直在努力研究负极化铂电极腐蚀的原因，这是一个代价高昂的问题，影响着水电解器、制氢的关键技术以及依赖铂的电化学传感器。

现在，美国能源部 SLAC 国家加速器实验室和莱顿大学的研究人员已经找到了原因，这一发现可能有助于降低氢气生产成本并延长电化学传感器的使用寿命。他们的研究结果发表在《自然材料》杂志上。

铂腐蚀的奇怪案例

许多电化学设备（包括电解器）都使用负极化的铂电极，电极浸没在电解质中，电解质基本上是盐水。虽然铂是一种昂贵但耐用的材料，但“非常稳定并不意味着它不会降解”，斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 的资深科学家、SLAC 团队的首席研究员 Dimosthenis Sokaras 说。

对于大多数金属来说，负极化可以防止腐蚀。但铂电极在这种情况下会迅速损坏，这一奇怪的现象让科学家们感到困惑。

莱顿大学催化与表面化学教授、莱顿团队首席研究员马克·科佩尔(Marc Koper) 表示：“如果你拿一块铂，并施加一个非常负的电位，你就可以在几分钟内溶解铂。”

不完善的理论

两种著名的理论曾试图解释这一过程。一些科学家认为，电解质溶液中的钠离子是罪魁祸首。他们的想法是，这些离子进入铂的原子晶格，形成铂化物——铂原子拖着带正电的钠离子——然后剥离。其他人提出了类似的过程，但将矛头指向钠和氢离子——也就是质子——共同作用产生了铂氢化物。

研究团队知道他们需要以某种方式观察铂在电解质中腐蚀并产生大量氢气的过程。为此，该团队向 SSRL 求助，那里的研究人员开发了高能量分辨率 X 射线光谱技术，可以穿透电解质并过滤掉其他影响，使研究人员能够专注于操作过程中铂电极的细微变化。

创新的X射线技术和专用设备

SLAC 科学家 Thom Hersbach 表示：“对我们来说，高能分辨率 X 射线吸收光谱是我们能想出的唯一能够应对实验条件的技术。”

此外，索卡拉斯说，研究小组还开发了一种特殊的“流动池”，可以清除电极运行过程中形成的、干扰 X 射线实验的氢气泡。

利用这些功能，该团队首次对铂的主动腐蚀进行了观察，并记录了负极电极表面的 X 射线光谱。

历经多年努力才找到凶手

在进行实验之前，研究人员就预感到氢化物是造成腐蚀的罪魁祸首，但他们花了数年时间分析数据，才证实了这一假设。

“我们需要经过无数次不同的迭代才能弄清楚‘我们如何准确捕捉正在发生的事情？’”赫斯巴赫说。

研究人员利用铂氢化物和铂化物的计算模型，模拟了他们期望在 SSRL X 射线束下从每个结构看到的光谱。将大量模拟光谱与他们的实验结果进行比较，证实只有铂氢化物才能产生他们的结果。“通过推进 X 射线科学的前沿，SSRL 开发了操作方法，结合现代超级计算，现在我们可以解决几十年前的科学问题，”Sokaras 说。

寻求电化学装置的解决方案

现在，该团队的研究成果可用于开发电解器和许多其他电化学设备中铂腐蚀的解决方案。科佩尔表示，该项目“表明在科学领域，汇集大量专业知识是多么重要。”

SSRL 是美国能源部科学办公室的一个用户设施。

来源：科学往前飞评