科學家破解鉑電極腐蝕之謎，開啟氫能生產新篇章

多年來，科學家們一直對一個奇特的問題感到困惑：為什麼在電化學裝置中通常穩定的鉑電極會如此迅速地腐蝕？SLAC國家加速器實驗室與萊頓大學的合作，利用尖端的X射線技術，終於揭開了這個謎團。他們發現，鉑氫化物而非曾經懷疑的鈉離子，是導致鉑電極降解的元兇。這一發現可能徹底改變氫氣生產和電化學感測器的耐用性，從而大幅降低成本並提高效率。

近20年來，科學家們一直努力理解為什麼負極化的鉑電極會腐蝕——這是一個影響水電解槽（氫氣生產的關鍵技術）以及依賴鉑的電化學感測器的昂貴問題。現在，來自能源部SLAC國家加速器實驗室和萊頓大學的研究人員已經找到了原因，這一發現可能導致更經濟的氫氣生產和更持久的電化學感測器。他們的研究成果發表在《自然材料》期刊上。

許多電化學裝置，包括電解槽，使用浸沒在電解質（基本上是鹽水）中的負極化鉑電極。雖然鉑是一種昂貴但耐用的材料，但這並不意味著它不會降解，斯坦福同步輻射光源（SSRL）的高階科學家、SLAC團隊的首席研究員迪莫斯泰尼斯·索卡拉斯說。對於大多數金屬來說，負極化可以防止腐蝕。但鉑電極在這些條件下會迅速分解，這一奇怪的現象一直困擾著科學家。

萊頓大學催化與表面化學教授、萊頓團隊的首席研究員馬克·科佩爾說：「如果你拿一塊鉑並施加一個非常負的電位，你可以在幾分鐘內溶解你的鉑。」有兩個主要的理論試圖解釋這一過程。一些科學家認為電解質溶液中的鈉離子是罪魁禍首。這些離子，據推測，會擠入鉑的原子晶格中，形成鉑化物——攜帶正電荷鈉離子的鉑原子——然後剝離。其他人則提出了一個類似的過程，但指責鈉離子和氫離子（即質子）共同作用產生鉑氫化物。

研究團隊知道，他們需要以某種方式觀察鉑在電解質中腐蝕並產生大量氫氣的過程。為此，團隊轉向了SSRL，那裡的研究人員開發了高能量解析度X射線光譜技術，可以穿透電解質並過濾掉其他效應，使研究人員能夠專注於鉑電極在操作過程中的細微變化。SLAC科學家託姆·赫斯巴赫說：「高能量解析度X射線吸收光譜，對我們來說，是唯一能應對實驗條件的技術。」

此外，索卡拉斯說，團隊開發了一種特殊的流動池，可以清除電極操作過程中形成的氫氣泡，這些氣泡會干擾X射線實驗。利用這些技術，團隊首次觀察到了鉑在腐蝕過程中的活躍狀態，記錄了負極化電極表面的X射線光譜。

在進行實驗之前，研究人員懷疑氫化物是腐蝕的原因，但他們花了幾年時間分析資料才證明瞭這一假設。赫斯巴赫說：「這只是需要大量的不同迭代來弄清楚『我們如何準確捕捉正在發生的事情？』」利用鉑氫化物和鉑化物的計算模型，研究人員模擬了他們在SSRL X射線束下期望看到的光譜。將大量模擬光譜與實驗結果進行比較，證明瞭只有鉑氫化物才能產生他們的結果。

索卡拉斯說：「透過推進X射線科學的前沿，SSRL開發了操作中的方法，結合現代超級計算，現在我們可以解決幾十年來的科學問題。」現在，團隊的發現可以用於開發電解槽和許多其他電化學裝置中鉑腐蝕的解決方案。科佩爾說，這個專案展示了在科學中將大量專業知識結合在一起的重要性。

參考文獻：Thomas J. P. Hersbach等人，《水溶液中陰極腐蝕期間鉑氫化物的形成》，2025年1月22日，《自然材料》。DOI: 10.1038/s41563-024-02080-y。SSRL是能源部科學辦公室的一個使用者設施。