成果展示

谢微课题组Angew:SERS检测镍-铁OER关键活性中间物种
2021-07-05

电解水技术是推动氢能产业绿色发展的重要推动力。相较于阴极析氢反应 (HER) ,阳极析氧反应 (OER) 的四电子氧化过程更加复杂且动力学缓慢。找出反应中间体和催化位点可揭示OER机理,助力理性设计高效、低成本的水分解电催化剂。作为一种复杂的多电子反应,OER会在反应过程中生成各种中间产物(O-、O2-、O22-等),这些物种寿命短、吸附弱、振动强度低的特点增加了其被检测的难度。

针对于此,谢微课题组借助表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)特异性强、灵敏度高的特点,设计了以Ni3FeOx 纳米颗粒作为模型催化剂,Au核作为SERS增强基底的核-卫星纳米结构,实现了OER过程表界面SERS检测(图1)。

 

图1. OER过程表界面SERS检测示意图。


作者通过SERS原位检测(图2),结合同位素实验和DFT计算辅助验证,证实了在碱性条件下吸附在催化剂表面的反应中间物种为超氧根离子(O2-),并进一步揭示了Fe原子起到吸附OH-并将之转化为O2-的作用,而Ni原子则起到将O2-转化为O2的作用。

 

图2. O-O-物种的归一化 SERS 强度,其中虚线和实线分别代表顶式和桥式的吸附态。


综上,该工作设计制备了一种兼具拉曼增强效应和高OER催化活性的Au@Ni3FeOx双功能“核-卫星”纳米粒子,利用该材料研究反应活性物种在催化剂表面的吸附-转化过程,揭示了NiFe基电催化剂的双金属中心协同机理,为高效OER催化剂的理性设计提供了理论指导。

南开大学博士研究生胡策军为论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委、天津市科技局和南开大学的资助。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202103888


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