Reoriented Interfacial Water Structure Around Pd Enhances Oxygen Reduction Kinetics in Zn-methanol-air Batteries, Angewandte Chemie,65, 9(2026)
調控鈀觸媒周圍界面水分子取向以提升鋅–甲醇–空氣電池之氧還原反應動力學
Lulu Lyu, Xu Hu, Bing Shao, Qichen Wang, Gonglei Shao, Jiacong Lei, Wenqi Fan, Dongjun Lee, Zhen Zhou*, and Yong-Mook Kang*
2026/11/10
電雙層（EDL）中界面水分子的結構與動態，是主導電催化反應電荷轉移的關鍵因素。過去多藉由調整電解液組成或 pH 值來改變電雙層結構，透過觸媒設計直接調控界面水結構的研究則相對缺乏。本研究以熔鹽輔助熱裂解結合濕化學還原法，開發出由鈷單原子（CoSA）修飾之氮摻雜碳載體與鈀鈷合金奈米粒子組成的複合觸媒（PdCoNP@CoSANC）。研究團隊結合台灣光源TLS 20A及韓國浦項加速器實驗室10C光束線之X光吸收光譜（XANES/EXAFS）、UPS與XPS分析，證實鈷單原子的引入使鈀呈富電子狀態，平均價數由 +1.86 降至 +1.74，功函數亦由5.35 eV降至5.27 eV，並使零電荷電位（EPZC）由 0.685 V 負移至 0.607 V（vs. RHE），因此在氧還原反應（ORR）操作電位下觸媒表面帶有更多正電荷。原位紅外光譜、拉曼光譜與密度泛函理論計算顯示，界面水分子因而由「H 端朝下」轉變為「O 端朝下」的取向，並形成更有序的氫鍵網絡，使速率決定步驟 *OH 氫化反應的能障幾乎消失。該觸媒展現 0.937 V 的半波電位與 2.58 A mgPd−1 的 ORR 質量活性，甲醇氧化反應（MOR）質量活性亦達 6.15 A mgPd−1，皆優於無鈷對照組及商用 Pd/C。以此雙功能觸媒組裝之無碳酸鹽鋅–甲醇–空氣電池，可在 100 mA cm−2 的高電流密度下運作，並穩定循環達 2500 小時，能量效率約 70%。本研究提出以零電荷電位工程調控界面水結構的觸媒設計新策略，為高效金屬–空氣電池的開發提供新方向。
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