锌-铝合金电极上增强碱性氧化还原的机理洞察
材料科学
2026-03-19 v1 化学物理
摘要
电化学水分解是产生清洁能源载体以减缓碳排放的技术，却缺乏适合、低成本的电极来实现碱性水分解中高效的氧化还原反应（OER）。为此，我们通过粉末冶金方法制备了含不同铝含量（最高达 20 wt.%）的锌-铝合金电极，并对其在碱性溶液中的 OER 进行电化学测量，以探讨其催化性能。我们还进行第一性原理计算以检验其热力学相稳定性和电子结构。理论和实验结果表明，锌中掺入 ≥ 20 wt.% 铝会导致热力学相不稳定和铝富集区域的次相分离，从而限制反应动力学并降低催化效率。虽然锌中掺入 5 wt.% 铝表现出有利的热力学和电子特征，但其电化学性能却效率低下且差异大，由于表面缺乏足够的反应活性位点。相比之下，锌中掺入 10 wt.% 和 15 wt.% 铝的样品分别相对于纯锌的阴极交换电流密度增加了约三倍和两倍。此外，在电流密度为 12 mAcm⁻² 时测得的阴极过电位损失（η₀,ₐ）分别为 Zn₀.₉Al₀.₁ 和 Zn₀.₈₅Al₀.₁₅ 为 0.240 V 和 0.5603 V，显著低于纯锌（η₀,ₐ = 1.086 V）。尽管 Zn₀.₉Al₀.₁ 和 Zn₀.₈₅Al₀.₁₅ 的电荷转移阻抗（Rₜₘ）相似，但 Zn₀.₉Al₀.₁ 表现出更佳的反应动力学和更低的 η₀,ₐ，在所测试的所有样品中均表现出色。进一步地，锌-铝合金的改进动力学和降低过电位与其他过渡金属基催化剂（包括 Fe-Co-Ni-Mo 合金和掺铜氧化物中的 Fe）相比较具有优势。
引用
@article{arxiv.2603.17904,
title = {Mechanistic Insights into Enhanced Alkaline Oxygen Evolution on Zn-Al Alloy Electrodes},
author = {Abdul Ahad Mamun and Rokon Uddin Mahmud and Shahin Aziz and Muhammad Shahriar Bashar and Ahmed Sharif and Muhammad Anisuzzaman Talukder},
journal= {arXiv preprint arXiv:2603.17904},
year = {2026}
}