Pt基納米催化劑上ORR反應機理的原位拉曼光譜研究

发布日期:2019-09-18     浏览次数:次   

我院李剑锋教授和程俊教授課題組在Pt基納米粒子上的 ORR反應機理原位拉曼光譜分析領域取得重要進展。相關研究成果以“In situ Spectroscopic Insight into the Origin of the Enhanced Performance of Bimetallic nanocatalysts towards ORR在線發表于Angew. Chem. Int. Ed. doi.org/10.1002/anie.201908907

高效、穩定、低Pt載量氧還原(ORR)催化劑是燃料電池陰極材料的主要研究方向,但ORR反應過程複雜,存在多種路徑及中間物種,因此借助先進的光譜技術從分子水平深入研究Pt基納米催化劑上ORR反應機理具有重大意義,但也極富挑戰性。針對這一挑戰,本研究利用殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜技術(SHINERS),將納米催化劑靜電組裝在SHINs上形成衛星結構,在不同pH環境下成功實現了Pt3CoORR反應過程的原位分析,直接獲得了重要反應中間物種*OOH和橋式吸附*O2的光譜證據,並通過相應的同位素取代實驗及DFT理論模擬確認了中間物種的譜峰歸屬和吸附構型。而在堿性條件下,催化劑表面檢測到Co*OH拉曼信號,揭示了在工況下納米催化劑表界面結構發生了變化。光譜結果和理論計算共同證明了Pt3CoORR是經過*OOH的聯合反應機理 (Associative mechanism),同時解釋了由于表面Pt-Pt晶格被壓縮和Co把電子轉移給金屬Pt,促使氧物種*O吸附減弱了0.11 eV, 從而使得Pt3CoORR性能提高。此工作是在課題組前期纳米催化剂上多相催化(Nat. Commun., 2017, 8, 15447)Pt單晶上ORR (Nat. Energy, 2019, 4, 60-67.)的原位拉曼光譜研究基礎上進行的,展示了SHINERS可作爲原位跟蹤催化反應過程的有效方法,也爲納米電催化的原位研究提供了一種新的思路。 

該研究工作在李劍鋒教授和程俊教授共同指導下完成。我院博士生王亞浩和博士後樂家波爲論文共同第一作者,碩士生李委瓊和博士生魏傑等參與了實驗工作。該研究工作得到國家自然科學基金和高校基本科研業務費等資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.201908907

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