...表面增強紅外光譜技術揭示陽離子效應對一氧化碳電化學轉化的影響

2020-11-22 清華大學新聞網

清華新聞網11月9日電 近日，清華大學化工系陸奇研究組通過結合反應活性測試和表面增強原位紅外光譜技術揭示了陽離子效應對一氧化碳電催化還原的影響。該研究提出了陽離子效應中存在著電場和非電場組分，它們不僅受到陽離子特性的影響，也與電化學界面的組成相關。這一研究也為進一步理解電化學界面組成和結構對電極介導反應的影響提供了重要思路。

近幾十年來，由於人類行為導致的氣候變化帶來了一些系列生態和環境問題，但這也加速了新型能源技術的發展。尤其在近幾年，我國的光伏和風電產業等發展迅速，太陽能和風能發電的價格已經具備了一定的市場競爭力。利用可再生能源實現碳的電催化轉化為減緩人為氣候的影響提供了一條切實可行的解決途徑。電化學CO2和CO還原反應發生在金屬電極與水溶液的界面處，因此，催化性能同時受到電極表面和電解液的影響。電解液中的陽離子在該反應界面處扮演著十分重要的角色，在還原電位下，陽離子會被電化學界面吸引，雖然陽離子影響表面介導電催化反應的多種可能的方式已經被提出，但由於缺乏直接的實驗證據，學術界仍沒有達成一致的意見。

圖1. (A)在CO飽和的0.1 M不同鹼金屬氫氧化物中的光譜數據；Cu氣體擴散電極進行CO電催化轉化至不同產物的(B)電流密度和(C)法拉第效率；(D)原位表面增強紅外光譜電化學池示意圖。

在這項工作中，研究者首先測試了含有不同鹼金屬陽離子的電解液中一氧化碳電催化還原(CORR)的性能，數據表明鹼金屬陽離子的性質對多晶Cu催化劑表面的CORR的活性和產物分布有重大影響。在不考慮陽離子的水化層的情況下，CORR和析氫反應的速率均隨陽離子尺寸的增加而增大。CORR產物的法拉第效率也隨著陽離子尺寸由Li+變化到K+而增加，但在較大的陽離子中基本保持不變。結合原位紅外光譜研究，研究者發現不同的陽離子導致CO在Cu上的吸附位點分布不同，隨著陽離子尺寸由Li+增加到K+，吸附在step site上的CO相對於吸附在terrace site上的CO的比例逐漸增大，然後在更大的陽離子上趨於穩定，這一趨勢與在不同陽離子氫氧化物電解液中所測到的CO吸附的斯塔克調諧率(Stark tuning rate)的變化規律相似。由此看出，界面電場強度是導致CORR由Li+變化到K+反應活性升高的主要原因，而隨著K+進一步變化到Cs+，斯塔克調諧率和CORR反應速率均趨於平穩，表明陽離子效應中存在著非電場成分。該工作結合了電化學活性測試和原位紅外光譜研究，研究者進一步強調了陽離子效應是電化學界面組成和結構對電極介導反應的總體影響的一個重要組成部分，並揭示了陽離子效應同時存在電場和非電場組分。

該研究以「理解一氧化碳電催化還原反應中陽離子效應的電場和非電場組分」(Understanding the Electric and Non-Electric Field Components of the Cation Effect on the Electrochemical CO Reduction Reaction)為題，於2020年11月6日發表在《科學進展》(Science Advance)期刊上。論文的共同通訊作者為清華大學化工系陸奇副教授和美國德拉瓦大學化學工程與生物分子工程系徐冰君副教授。該項工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd2569

供稿：化工系

編輯：李華山

審核：呂婷

相關焦點

  • 局域表面等離激元增強紅外吸收
    表面增強紅外吸收結合了紅外光譜的選擇性和等離激元共振增強的靈敏度，在諸多領域都展現出極大應用潛力，比如超光譜紅外化學成像、生物分子檢測、環境汙染物監測和晶片氣體檢測等。最近紅外響應的納米材料的製備方法越來越多，表面增強紅外吸收方面的研究正在蓬勃發展。
  • 化工系陸奇團隊在串聯催化二氧化碳電化學還原製備甲烷研究中取得...
    隨著工業的快速發展，大量的化石燃料的使用導致了大氣中二氧化碳濃度的逐年升高，隨之而來的環境問題，如溫室效應、沙漠化等逐漸引起人們的關注。一種非常有前景的解決方式是使用可再生能源，如太陽能、潮汐能等產生的電能，通過電化學的方式將二氧化碳轉化為高附加值的化學產品，如甲烷、乙烯、乙醇等。
  • 我國利用光譜技術分析納米材料環境轉化過程對生態毒性影響
    無論國際還是國內，納米尺度物質以及技術對人體健康的影響研究剛剛起步。中科院合肥研究院技術生物利用拉曼光譜和XRD等光譜手段，分析納米材料環境轉化的理化過程：原始狀態納米氧化鋅的毒性主要源自其釋放的鋅離子；在含磷水體中，納米氧化鋅發生物理化學轉變，生成了低毒性的磷酸鋅，使其毒性顯著區別與原始狀態的納米氧化鋅。
  • 研究人員發現二氧化碳轉化為乙烯的關鍵中間體
    近來，利用可再生電力將二氧化碳轉化為高附加值化合物的電化學轉化（e-chemical）技術受到了廣泛關注。這種綠色技術是以二氧化碳和水作為唯一的原料化學品，代替傳統的化石燃料，採用電化學反應合成各種化合物。電化學二氧化碳轉化可以生產一氧化碳、乙烯等石化工業中增值的重要分子。
  • 環境汙染物快速分析的表面增強拉曼光譜技術
    表面增強拉曼光譜(Surfaceenhanced Raman spectroscopy，SERS)作為一種強有力的原位分析技術，不僅可以像拉曼光譜一樣能夠提供分子結構的特徵光譜，而且還可以極大地增強被測分子的拉曼信號，通常可以增強6個數量級以上，有時甚至可以達到14個數量級，從而達到單分子檢測。文獻研究表明表面增強拉曼光譜完全可以實現對特定環境汙染物的高靈敏度定性和定量檢測。
  • FeOOH晶相結構及晶相依賴的電化學分析行為研究取得進展
    ，揭示了其在重金屬離子電化學分析過程中的優勢晶相新機制。擴散到電極表面發生氧化還原反應，從而獲得增強的電化學信號。　　該工作的研究發現一方面擴展了對不同晶相FeOOH結構的理解，為其表面原子排列模型提供了實驗依據；另一方面從原子層面上揭示了優勢晶相電化學分析行為的敏感增強新機制，為研究新型納米材料用於電化學分析檢測及對其他金屬氫氧化物納米材料的功能應用提供了有效的理論支持。
  • CCS Chemistry | 金屬陽離子缺陷原位構築新方法
    南開大學程方益和嚴振華等人報導了一種電化學還原-刻蝕法實現了室溫條件下鐵基氧化物中鐵缺陷的可控原位構築，揭示了鐵缺陷的存在增強Ni-O共價性，促進H2O吸附和H-O鍵活化，通過調節表面電子結構優化氧中間體吸附能，從而提升氧析出電催化性能。
  • 科學家藉助全新非接觸式亞微米紅外光譜,首次成功直觀揭示神經元中...
    而非標記方法，如表面增強拉曼光譜（SERS）和傅立葉變換紅外光譜（FTIR）, 前者受限於亞細胞水平上的低信噪比、自發螢光及不可逆的光損傷，後者其空間解析度受限於紅外光波長（≈5–10 μm），且光譜可解譯性和準確性受到彈性細胞光散射所產生的米氏散射效應(Mie scattering effects)的嚴重影響，使得直接在亞微米尺度上研究澱粉樣蛋白質在神經元內的聚集行為十分困難。
  • 群英薈萃 第二屆表面增強拉曼光譜國際會議蘇州開幕
    分析測試百科網訊 2019年11月7日，第二屆表面增強拉曼光譜國際會議（SERS-2019）在蘇州同裡湖大飯店開幕。SERS-2019由蘇州大學、廈門大學主辦，江蘇省化學化工學會、蘇州市化學化工學會、蘇州市精準催化技術重點實驗室、固體表面物理化學國家重點實驗室協辦。分析測試百科網作為本次會議的支持媒體，為您帶來相關報導。
  • 盤點四種常見的一氧化碳傳感器
    目前檢測一氧化碳的傳感器按檢測原理主要分為半導體型、電化學型、紅外型與催化燃燒型，其主要工作原理及優缺點分析如下：1、半導體型半導體傳感器對氣體的敏感度取決於敏感元件被加熱的溫度。對一氧化碳的檢測而言，敏感元件被加熱的##溫度為100「C以下。
  • 南京地理所揭示湖泊水體陽離子對藍藻聚集及水華形成的促進機理
    （如鈣鎂離子）濃度對顆粒聚集及水華形成的影響卻鮮有關注。，單價鈉離子對EPS顆粒水力學行為幾乎沒有影響，而二價鈣、鎂離子質易引起EPS顆粒聚集，但是所有EPS表面電荷均隨一價和二價陽離子濃度的升高而減少，表明EPS與陽離子作用並非簡單的靜電物理中和。
  • 紅外光譜圖解析知識點匯總
    影響官能團吸收頻率的因素可以分成內部因素和外部因素兩大類。內部因素本質上就是指官能團所處的分子結構對其吸收頻率的影響，如振動耦合、費米共振、電子效應、空間效應、氫鍵和質量效應等。外因一般包括溫度、濃度、溶劑、樣品狀態 、制樣方法等。 兩個基團相鄰且振動基頻相差又不大時，振動的耦合引起吸收頻率偏離基頻，一個移向高頻方向（反對稱），一個移向低頻方向（對稱），這種現象稱為振動耦合。
  • 任斌:定量是表面增強拉曼光譜的絕對挑戰——訪廈門大學任斌教授
    2014年7月29日，在HORIBA拉曼學院活動中，任斌教授的報告從原理、實驗方法到應用等各方面給大家呈現了SERS和針尖增強拉曼光譜(TERS)的發展歷史和最新技術進展。雖然在1928年到1945年之間，拉曼光譜在物質結構的研究中發揮了重要的作用，但信號弱這個與生俱來的缺點在很大程度上限制了其在各方面的應用。直到，1974年，Fleischmann 等人第一次在吡啶吸附的粗糙銀電極上觀察到SERS信號。由於表面增強效應可以使拉曼強度增大幾個數量級，提供了極高的表面檢測靈敏度，為人們刻畫了很好的應用前景，在國際上很快就掀起了SERS研究的熱潮。
  • 電化學分析主題網絡會成功召開(附視頻)
    pH 是電化學測量中應用廣泛的測量參數。Xylem Analytics SI在玻璃技術和分析設備開發方面擁有超過75年的經驗。結合我們實際應用發現，闡述不同電極結構、電解液成分、玻璃材質等對pH測試的影響，幫助進行各種應用條件下pH 電極的選擇，並提供高效應用的方法及注意事項。
  • 我國近紅外光譜發展多方有驚喜——參加全國第八屆近紅外光譜學術...
    會議共安排了72個報告，內容豐富，包含溫控近紅外光譜技術、在線近紅外光譜技術、近紅外模型的建立及轉移、近紅外光譜相關標準的制定等。此外，各位專家還介紹了近紅外光譜技術在農業及食品、疾病篩查、生物製藥、環境、半導體材料等領域取得的最新應用進展。　　為期兩天的會議，與會專家學者與參會代表進行了深入的交流與討論，群策群力，共同助力我國近紅外光譜分析技術的發展。
  • 電子科技大學肖旭教授綜述MXene插層用於電化學電容器等方面
    本文主要介紹了MXene電化學插層的相關研究並應用於電化學電容器的研究進展，概述了MXenes的電容特性和儲能機理。並分析了各種插層離子和溶劑在電荷轉移之前或轉移過程中的插入是否加速了能量存儲的過程。通過闡述插層技術在電化學儲能中的重要作用，揭示了Mxenes電化學儲能的主要發展趨勢，並為其他研究人員提供參考價值。
  • 電子科技大學肖旭教授綜述:MXene插層應用於電化學電容器等方面
    通過闡述插層技術在電化學儲能中的重要作用，揭示了Mxenes電化學儲能的主要發展趨勢，並為其他研究人員提供參考價值。原位XRD表明Ti3C2Tx MXene在c軸上具有可逆收縮性，可在電化學循環中恢復(圖3d，e)。這可能是片層間的陽離子和Ti3C2Tx片表面所帶的負電荷之間的靜電引力導致的。這一結果與Berdiyorov等人報導的理論計算結果一致。圖3. (a) Ti3C2Tx層之間插入陽離子的示意圖。
  • 一份詳盡的紅外光譜圖解析知識點匯總
    ，所以，就有許多小夥伴私信給小析姐，要求小析姐整理一篇關於紅外光譜解析的帖子，應廣大親們的要求,小析姐又連夜精心整整理了紅外吸收光譜圖解析實例，希望對你在紅外吸收光譜的解析上有所幫助。內部因素本質上就是指官能團所處的分子結構對其吸收頻率的影響，如振動耦合、費米共振、電子效應、空間效應、氫鍵和質量效應等。外因一般包括溫度、濃度、溶劑、樣品狀態 、制樣方法等。 兩個基團相鄰且振動基頻相差又不大時，振動的耦合引起吸收頻率偏離基頻，一個移向高頻方向（反對稱），一個移向低頻方向（對稱），這種現象稱為振動耦合。
  • ...亞微米顯微紅外光譜及成像技術助力病理學及化學研究》網絡介紹會
    [報告簡介]　　傳統的分析方法，如FTIR, SERS, 電子/螢光顯微鏡技術等，由於空間解析度有限，且光譜準確性受到彈性光散射所產生的米氏散射效應(Mie scattering effects)的影響，使得直接在亞微米尺度上研究生物和材料樣品的化學結構信息變得十分困難。
  • Nature Energy最新綜述:CO2還原的影響因素及反應機理
    雖然氫氣是最佳的儲能分子載體，但將二氧化碳和水轉化為碳基燃料的電化學研究在最近幾十年來一直吸引著人們的興趣。目前，碳基燃料的合成正處於復興時代。與電解水制氫相比，二氧化碳的電解技術尚未成熟。要使電催化二氧化碳還原成為儲存可再生電力的可行選擇，就必須克服能源效率、反應選擇性和總轉化率方面的重大障礙。許多電催化二氧化碳還原反應(CO2RR)在不同條件下會產生不同的化合物。