李建峰教授,化学与化学工程教授,氧还原机理研究成果发表于《

时间:2018-12-22 00:08:54 来源:广汉新闻网 作者:匿名



化学化工学院李剑锋教授在铂单晶界面ORR反应机理的原位拉曼光谱研究方面取得了重大突破。相关研究结果“铂单晶表面氧还原反应中间体的原位拉曼光谱证据”于2018年12月3日在线发表于《自然-能源》(Nature Energy,doi: 10.1038/s41560-018-0292-z,IF: 46.8)。

铂基催化剂表面上的氧还原反应(ORR)是燃料电池最重要的阴极反应。虽然经过数十年的研究,ORR的具体反应路径尚未真正得到解决。通常认为铂表面的ORR过程可分为两类:一类是氧分子经过4-电子还原过程最终形成水或OH;另一个是氧分子经历双电子还原过程以形成过氧化物。然而,ORR过程未对铂基催化剂表面的实际反应路径形成共识,因为该过程涉及许多难以有效捕获的痕量,短寿命的中间物质。同时,复杂的电化学环境也对ORR反应途径和机制的研究提出了挑战。虽然原子级光滑单晶表面具有明确的表面原子排列和表面能级,但它是相关实验和理论的理想模型系统。然而,原子光滑的单晶表面难以获得增强的拉曼信号,并且不能获得直接的光谱证据,这限制了对ORR反应过程的理解并指导了高活性催化剂的制备。

在这项研究中,李剑锋教授的研究小组首先利用其开发的电化学壳抑制纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)技术研究了原位Pt(hkl)单晶表面的ORR反应过程,该技术于1150年成功捕获。拉曼光谱证明重要的中间物种,如cm-1,1080 cm-1和732 cm-1区域的O2-,OH *和HO2 *,以及相应的同位素取代实验(氘和O-18同位素实验)并且DFT理论模拟证实了中间物种的峰分配和吸附构型。在酸性条件下Pt(hkl)单晶表面的ORR反应机理如下:O2分子首先吸附在Pt(hkl)单晶电极上形成吸附状态的O2 *,然后形成HO2 *。质子电子转移步骤。种类。然后O-O键裂解并在相邻的铂原子上形成一对吸附的O *和OH *,最后OH *通过质子电子转移形成H2O。由于相同中间物种的吉布斯自由能和活化能在不同晶面上不同,因此存在状态和随后的ORR反应不同,因此不同Pt(hkl)单晶表面上的ORR活性显着不同。总的来说,该研究首先获得了Pt(hkl)单晶表面ORR反应中重要中间体物质的直接拉曼光谱证据,并提出了合理的ORR反应路径,这加深了人们对ORR反应机理的认识。为研究其他界面催化反应机理提供了可行的研究思路。研究工作由学校内外的一些研究小组共同开展。化学化工学院李剑锋教授负责相关的电化学原位拉曼光谱实验。阿利坎特大学的Juan Feliu教授负责单晶电化学实验,吴德寅,化学与化学工程学院。教授的研究小组负责DFT理论模拟。杨志林教授的研究小组负责3D-FDTD的理论模拟。研究工作的第一作者,董金超和第二作者张夏光分别获得博士学位。学生(毕业)和博士化学化工学院的学生。

该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持和支持(21522508,21427813,21521004,21533006,21621091和21775127)。化学与化学工程学院周志友教授,程军教授,材料学院张华副教授,利物浦大学Gary Attard教授,苏敏博士,王耀辉博士,陆邦安博士和杨博士化学化工学院的晓东对这一课题的研究给予了大力支持。救命。

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主编:黄伟斌

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