Углеродный электрод может разрушаться во время работы в воде. В новом исследовании его устойчивость изменили через молекулы воды, прилегающие к поверхности: когда их сеть водородных связей сохранялась лучше, коррозия ослабевала. Такой подход проверили на катализаторе реакции выделения хлора — пока в лабораторном опыте.
Статья опубликована онлайн 24 октября в Angewandte Chemie. Авторы наблюдали процессы одновременно электрохимическими и спектроскопическими методами. При нарушении сети связей между молекулами воды разрушение углерода ускорялось; с окислением была связана вода, слабее включённая в эту сеть.
Покрытие меняет ближайшее окружение
Водородные связи — кратковременные взаимодействия между соседними молекулами. Рядом с электродом их организация может отличаться от воды вдали от поверхности. Исследователи управляли этим окружением с помощью иономеров — полимеров с заряженными группами.
Покрытие на основе Sustainion сохраняло более упорядоченную водную сеть и подавляло коррозию по сравнению с покрытием Nafion. Но у Nafion была другая полезная сторона: он благоприятствовал накоплению заряда на поверхности и скорости целевой реакции. Авторы объединили эти функции в смешанном полимерном слое.
От механизма к проверке ресурса
Конкретный пример — отдельные атомы платины на углеродном носителе в реакции получения хлора. Результат показывает, что защиту можно искать в устройстве границы между твёрдым материалом и водой, а не только в составе самого углерода.
Это ещё не установленный срок службы промышленного электрода. Доступная авторская аннотация не даёт оснований обещать ресурс в годах или переносить результат на любой электролизёр. Следующая практическая проверка — сохранится ли сочетание активности и устойчивости в длительной работе и в составе реального оборудования.
Разобраться, как катализатор участвует в химическом превращении, поможет учебный раздел WikiChem EASY.
Авторская объясняющая схема EASY: разная связанность воды рядом с углеродом. Положение молекул и линии связей условны; это не кристаллическая решётка и не измеренная структура поверхности.
