Operando Magnetic Resonance Imaging for Visualizing Electrochemical Triple‐Phase Boundary

三相边界 电化学 材料科学 质子交换膜燃料电池 可视化 阴极 燃料电池 化学工程 计算机科学 电极 化学 电解质 人工智能 工程类 物理化学 固体氧化物燃料电池
作者
Shuo‐Hui Cao,Wenlong Jiang,Chunyu Qiu,Huijun Sun,Lina Wang,J. Sheng,Lifei Ji,Shuo Liu,Zu-Rong Ni,Shuhu Yin,Xiaoping Zhang,Yanxia Jiang,Yucheng Wang,Zhi‐You Zhou,Zhong Chen,Shi‐Gang Sun
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (31): e202506183-e202506183
标识
DOI:10.1002/anie.202506183
摘要

Abstract The triple‐phase boundary (TPB) is a complex interface where gas, liquid, and solid phases converge, crucially regulating the efficiency and performance of many electrochemical devices including fuel cells and batteries. However, conventional characterization techniques struggle to capture the dynamic processes and flooding at TPB. To address this, we develop operando electrochemical magnetic resonance imaging (EC‐MRI), an inherently non‐invasive technique sensitive to 1 H, which probes both bulk and boundary regions, enabling real‐time visualization of TPB evolution and a deeper understanding of its function at the device level under operational conditions. In a study of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), with a focus on the kinetically sluggish O 2 reduction reaction in the cathode, operando EC‐MRI quantitatively illustrates the interplay between power output, water content, and TPB evolution. It reveals that the TPB maps undergo significant spatial and dynamic variations, with TPB deterioration, rather than apparent water accumulation, directly triggering flooding, as proved using catalysts with different water generation and adsorption capabilities. Our finding opens new perspectives on water management and TPB design, with potential applications in other critical electrochemical processes such as H 2 oxidation, CO 2 reduction, and N 2 reduction, underscoring the value of operando EC‐MRI for real‐time diagnostics of electrochemical devices.
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