Separating nanobubble nucleation for transfer-resistance-free electrocatalysis

成核 电催化剂 抗性(生态学) 纳米技术 材料科学 化学 生物 电极 生态学 电化学 有机化学 物理化学
作者
Shasha Guo,Maolin Yu,Jinn‐Kye Lee,Mengyi Qiu,Dundong Yuan,Zhili Hu,Chao Zhu,Yao Wu,Zude Shi,Wei Ma,Shuangyin Wang,Yongmin He,Zhengyang Zhang,Zhuhua Zhang,Zheng Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-55750-5
摘要

Electrocatalytic gas-evolving reactions often result in bubble-covered surfaces, impeding the mass transfer to active sites. Such an issue will be worsened in practical high-current-density conditions and can cause sudden cell failure. Herein, we develop an on-chip microcell-based total-internal-reflection-fluorescence-microscopy to enable operando imaging of bubbles at sub-50 nm and dynamic probing of their nucleation during hydrogen evolution reaction. Using platinum-interfacial metal layer-graphene as model systems, we demonstrate that the strong binding energy between interfacial metal layer and graphene—evidenced by a reduced metal-support distance and enhanced charge transfer—facilitates hydrogen spillover from platinum to the graphene support due to lower energy barriers compared to the platinum-graphene system. This results in the spatial separation of bubble nucleation from the platinum surface, notably enhancing catalytic activity, as demonstrated in both microcell and polymer electrolyte membrane cell experiments. Our findings offer insights into bubble nucleation control and the design of electrocatalytic interfaces with minimized transfer resistance. Gas-evolving catalysts suffer from severe mass transport limitations under industrial conditions. Here, the authors report an interfacial metal-layer engineering strategy to separate bubble nucleation from active sites, enabling transfer-resistance-free electrocatalytic interfaces.
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