武汉大学庄林教授：多维度电化学破解工况条件下H2氧化反应机理

报告题目：多维度电化学破解工况条件下H2氧化反应机理报 告 人：庄林 教授（武汉大学 化学与分子科学学院）邀 请 人：梁振兴 教授时    间：5月29日上午10:00—12:00地    点：逸夫工程馆105会议室主办单位：广东省燃料电池技术重点实验室 化学与华工学院 报告简介：在当前“双碳”背景下，H2氧化反应（HOR）作为氢气利用的重要途径而备受关注。HOR的机理包含Tafel、Heyrovsky与Volmer三个基元反应。不做任何假设和近似，完备地描述HOR机理至少需要5个参数：三个基元步骤的反应速率、吸附态氢Had的覆盖度和电荷转移系数。通过对电化学测量获得的伏安曲线进行拟合无法准确可靠地获得这5个参数，因此以往的研究不得不作出假设和简化，而且仅限于热力学平衡电势，无法讨论非平衡条件的机理。本研究报道了一种彻底破解HOR工况机理的电化学方法。首先，为打破氢气溶解度的限制，使用气体扩散电极（GDE）以保证宽电势范围的电化学测量不受传质影响。其次，同时使用直流伏安（I—V）和电化学交流阻抗技术（EIS）获得多维度电化学数据，特别是极化条件下相互独立的电流（j）与电荷转移电阻（Rct），使得5维参数空间的严格数学拟合成为可能。通过j与Rct共拟合，可获得平衡电势下的动力学参数集，继而算出任意极化下HOR各基元步骤的反应速率以及Had覆盖度的变化。研究表明，在整个研究电势范围内（0—200mV），Volmer反应始终为最快的。以往的HOR机理研究由于无法像这样获得全面的动力学图像，均假设Volmer反应为速控步骤，这显然是错误的。另外，HOR反应机理会随极化条件发生变化。在小极化区，Heyrovsky相对较慢，HOR可简化为Tafel-Volmer机理；但在大极化区，Heyrovsky的反应速率会超过Tafel，成为主要的氢气解离步骤。这些都说明工况机理（operando mechanism）研究的重要性，热力学平衡条件下的机理讨论不一定适用于器件运行工况下的非平衡态。 报告人简介：庄林，武汉大学查全性讲席教授，化学与分子科学学院院长。1993年本科毕业于武汉大学化学系，1998年在武大获博士学位并留校任教。2004—2005年美国康奈尔大学化学系访问学者。曾任美国电化学会（ECS）中国区主席、国际电化学会（ISE）物理电化学分会副主席、《物理化学学报》和《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》副主编。现任中国化学会电化学专业委员会常务副主任。主持国家重点研发计划项目、NSFC重大项目。长期从事氢能电化学研究，聚焦于燃料电池、水电解和CO2还原等“零碳”和“负碳”技术的科学创新，在基于碱性膜的变革性氢能电化学技术方面的研究具有开拓性和引领性。