电化学界面SERS光谱的密度泛函理论研究

运用量子化学密度泛函DFT理论和拉曼光谱研究了吡啶在过渡金属(Ⅷ族)和币族金属(IB族)表面吸附的成键机理及其拉曼光谱的变化规律.总结了作者研究组有关吡啶-金属SERS体系的研究,并从化学成键机理和光驱电荷转移机理两个方面探讨了电化学界面SERS谱峰的频率位移和增强效应,解释了实验观测到的SERS光谱随金属电极材料、激发光波长以及电极电位变化的现象.     

SPR银金电极上光电化学反应和EC-SERS理论研究

随着纳米科学的发展,人们再次关注到金属电极上的光电化学研究. 这主要得益于币族金属纳米结构具有强的表面等离激元共振（SPR）效应,它能有效地将光从远场光转化为近场光,汇聚光能到金属表面区域,可以在表面产生强的光电场效应,或产生较长寿命的热电子-空穴载流子效应,或是更长时间尺度的热效应. 因此,SPR效应不仅产生了表面增强拉曼散射(SERS)效应,用于表征吸附分子,而且可能诱发表面化学反应,为在电化学界面实现光与电协同调控化学反应提供新思路. 本文首先回顾了金属电极上光电流理论的发展,然后总结了本研究组近年来将量子化学计算用于光电化学反应和SERS光谱研究的工作,并以在银金纳米结构电极上水合质子还原和芳香胺氧化为例,比较了热电子和热空穴参与光电化学反应的特点,揭示了SPR参与光电化学反应的本质.     

电化学表面增强拉曼光谱的量子化学研究

对于在分子水平上研究电化学表面吸附和反应过程,表面增强拉曼光谱(SERS)显示出了其独到的优势,提供了有力的技术方法,但对于其表面增强机理仍有待深入研究.本文总结了将量子化学计算应用于电化学表面增强拉曼光谱(EC-SERS)分析的研究,以电化学界面分子吸附、电化学反应以及光电化学反应的研究体系为模型,提取EC-SERS光谱所蕴藏的物理化学信息.通过对吡啶在电化学表面的吸附、水的吸附及其电化学反应、以及对巯基苯胺的电化学表面催化偶联反应等体系的研究,揭示了电化学表面吸附、反应和光电化学过程的本质.     

电化学谱学表征方法的应用与发展

经历两个多世纪的发展,电化学表征方法的理论和实验研究不断完善,在表界面精细结构表征、电化学反应机理研究等方面起到重要作用。电化学谱学表征技术的出现,填补了传统电化学表征方法在分子水平上鉴定电化学反应活性位点及中间物种的空白。本文总结了近年来红外光谱(IR)、表面增强拉曼光谱(SERS)及和频振动光谱(SFG)三种经典分子振动光谱电化学表征技术的研究进展。首先介绍了三种光谱的基本原理和电化学联用电解池的设计,然后从基础电化学理论出发,介绍其在模型单晶体系及界面水机理研究中的应用,进一步重点介绍了其在锂离子电池和燃料电池领域的相关研究进展,最后展望了电化学谱学表征技术的未来发展方向。     

SERS谱峰对电极电位阶跃的不同响应速率的证据

八十年代以来,人们除继续研究表面增强拉曼散射(SERS)效应的复杂机理和发现有关新体系外,逐渐将注意力集中在将SERS 技术应用于生物、分析和电化学研究,以获得固/液体系的界面结构和吸     

原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的应用进展（英文）

在电化学界面,电催化过程通常包括电子转移、吸附和脱附、静电相互作用、溶剂化及去溶剂化等多步过程,深入理解电催化反应机理极具挑战性.对纳米结构电化学界面(电极)处电催化过程的深入理解十分有助于阐明电催化反应机理和设计高性能电催化剂材料.电催化活性通常与电催化剂表面局域化的活性位点密切有关.在反应条件下,电催化反应过程的研究极大依赖于高分辨表征技术.经典的宏观电化学表征方法仅可以提供不同界面位点的平均信息,很难分辨一些特殊结构位点(如缺陷、晶界、边缘位点)的相关重要电化学信息.原位电化学扫描探针显微镜技术,包括电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)、电化学原子力显微镜(EC-AFM)、扫描电化学显微镜(SECM)及扫描电化学池显微镜(SECCM),能够在纳米及原子尺度研究电催化反应过程,弥补了宏观表征方法的不足,为探究构效关系和解析电催化反应机理提供了机遇.本文介绍了各种扫描显微技术的基本原理、特点及优劣势,并且概述了各项技术在电催化领域研究的重大进展.EC-STM和EC-AFM能够原位表征电催化过程中的纳米尺度表面结构演变及吸附/脱附过程,但无法直接测量局部电化学活性(法拉第电流).通过S...     

表面等离子体共振光谱技术与电化学方法联用及其应用

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）技术是利用金属薄膜光学耦合产生的物理光学现象建立的一种非常灵敏的光学分析手段. 近年发展的电化学表面等离子体共振（Electrochemical Surface Plasmon Resonance,EC-SPR）是将时间分辨表面等离子体共振光谱技术与电化学方法联用的一种新技术. 本文介绍了SPR和EC-SPR的基本原理,并重点阐述了时间分辨SPR光谱技术与电化学方法联用及应用,该技术已广泛地应用于反应动态过程研究、生物化学传感器、电极/溶液界面的表征、动力学常数的测定以及生物分子相互作用等领域.     

应用镍超微电极的电化学表面增强拉曼光谱技术研究

镍（Ni）电极在电化学中应用广泛。原位表征Ni电极表面的吸附物种有益于帮助理解电极反应历程、指导发展高效电催化剂。应用超微电极作为工作电极的电化学表面增强拉曼光谱技术结合了超微电极表面的传质特性和分子水平的高灵敏度表征,是研究Ni电化学的有力手段。本文所述的研究工作通过在金（Au）超微电极表面电吸附具有SERS活性的Au纳米粒子并恒电流沉积金属Ni薄层,制备并表征了具有SERS活性的Ni超微电极。在氢氧化钠溶液中的循环伏安实验和以4-甲基苯硫酚分子作为探针分子的SERS实验结果表明,沉积速率和沉积电量是影响超微电极表面Ni的覆盖度和SERS活性的关键因素。在吸附了直径为55 nm Au纳米粒子的、直径为10 μm Au的超微电极表面,以100 μA·cm^-2电流密度电沉积厚度约为5个原子层Ni的条件下,可获得Ni覆盖完好的、具有最强SERS活性的Ni超微电极。     

扫描电化学微探针的发展及其在局部腐蚀研究中的应用

简要概述当前国内外具有空间分辨能力的扫描微探针技术及其在腐蚀研究中的应用,包括扫描微电极技术(SMET)、扫描电化学显微镜(SECM)、原子力显微镜(AFM)、扫描Kelvin探针技术(SKP)等,其中SMET、SECM、SKP及局部交流阻抗技术可直接测定腐蚀电极表面或界面电化学不均一性的分布图像,而原子力显微镜技术则是通过分子间作用力从纳米尺寸测量腐蚀过程表面形貌的变化.文中侧重介绍作者近年先后建立的具有微米空间分辨度的电化学微探针技术,并利用各种扫描探针技术研究金属/溶液界面电化学不均一性及其局部腐蚀过程.研究表明,空间分辨电化学方法的发展及应用,加深了人们对金属表面和金属/溶液界面电化学不均一性,特别是金属局部腐蚀发生、发展及过程机理的认识.     

一维铜(核)-镍(壳)纳米结构的制备及其表面增强拉曼光谱

采用多孔阳极氧化铝模板(AAO)结合直流电化学沉积法, 通过一种新的两步法合成一维铜(核)-镍(壳)纳米结构. 首先制备铜纳米线, 然后对AAO进行扩孔, 利用铜纳米线和AAO孔壁之间的间隙,沉积镍纳米线/纳米管. 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对其结构和形貌进行表征分析, 所得结果验证了这种方法的可行性. 以腺嘌呤为探针分子研究此种纳米结构的表面增强拉曼散射(SERS)效应, 结果表明, 这种一维纳米材料是一种潜在的SERS活性基底, 拓宽了过渡金属在SERS中的应用.     

双功能金属纳米粒子在表/界面催化反应SERS研究中的应用

研究反应物在金属催化剂表/界面的变化是探索非均相催化反应机理、合理设计高性能催化剂的基础.表面增强拉曼光谱(SERS)具有表面选择性强、特异性高、灵敏度高等特点,可以实时、无标记地检测金属表面的化学反应过程.本文总结了同时具有SERS活性和催化活性的双功能金属纳米粒子的制备方法,如化学吸附和静电吸附组装方法以及化学还原和化学置换等方法,并介绍了双功能金属纳米粒子在SERS原位研究对硝基苯硫酚(4-NTP)还原、光催化对氨基苯硫酚(4-ATP)氧化、CO氧化和二氯乙烯加氢脱氯等表/界面催化反应中的应用,最后总结了研究中存在的问题并对其进行了展望.     

酸性溶液中过渡金属及合金纳米薄膜电极的异常红外效应研究

以循环伏安方法在玻碳载体上制备纳米级厚度的过渡金属 (Pt,Pd ,Rh ,Ru)和合金 (PtPd ,PtRu)薄膜电极 ,并运用原位FTIR反射光谱研究了CO的吸附过程 .发现所制备的纳米薄膜电极均具有异常红外效应 ,即与本体金属电极相比较 ,吸附在纳米薄膜电极上的CO分子的红外吸收被显著增强 ,并且红外谱峰方向倒反 .本文的结果进一步证明异常红外效应是一种新的、普遍的现象 ,主要取决于过渡金属或合金膜的结构和厚度 .对异常红外效应的深入认识 ,不仅将推动红外反射光谱及界面电化学理论的发展 ,而且将在表面和界面分析中得到广泛应用 .     

非晶态ZnO纳米笼的显著表面增强拉曼散射效应

正表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)光谱技术作为一种具有超高灵敏度的分子"指纹谱"识别技术,已被广泛应用于表面、界面研究、吸附物界面的物化性质研究、生物大分子的界面取向及构型、构象研究和结构     

电催化剂设计中表面和界面工程的最新进展（英文）

电催化已发展为一种涉及电化学、表面科学、材料科学和催化科学等众多科学分支的交叉学科和综合技术,在工农业生产、经济和国防建设、能源开发和环境保护等方面发挥了不可或缺的作用.金属纳米催化剂的可控合成和创新构建,极大地推动了电催化的广泛应用和巨大进展.过渡金属尤其是贵金属Pt、Pd等电催化剂,在电催化中表现出良好的选择性、活性和稳定性,很难完全被其他材料所取代.制约电催化可持续发展的瓶颈问题是,如何设计、合成和构建高性能低成本的金属纳米催化剂.为实现这一目标,人们付出了大量的努力并取得了一些可喜的进展.电催化是发生在电解质与电极材料表面和界面的异相催化反应,金属纳米电催化剂的性能与其形貌、结构、尺寸和组成相关.本文着力总结和探讨如何从表面工程和界面工程角度设计、合成和构筑金属纳米结构及其复合结构,以实现金属电催化剂性能和成本的双优化.本文提出了在金属纳米结构及其复合结构的设计、合成和构筑过程中需要考虑的几个重要的表面和界面因素,即表面面积、表面晶面、活性位点和界面结构等.首先,有效表面面积越大,越有利于电催化反应.我们总结了增大催化剂有效活性面积的四种有效方法,包括减小颗粒尺寸、制成薄层二维纳米结构、增大粗糙度、形成中空、多孔或介孔及框架结构等.其次,表面晶面也可决定电催化的性能.我们简单总结了低指数晶面和高指数晶面在表面能、晶面形成和催化活性上的"挑战与机遇"矛盾关系,并简要阐述了晶面选择性即晶面效应以及晶面与尺寸的依赖关系.再次,活性位点一般指的是低配位表面原子位点,是电催化反应的决定因素之一.我们描述了活性位点与表面和界面结构特征、纳米晶表面晶面、表面缺陷和空穴、表面面积和粒子尺寸等的依赖关系.最后,界面结构工程是调控电催化性能的最丰稔因素.我们简述了界面结构的形成、分类及其对优化界面活性位点的成分和几何结构、表面悬键和原子配位数、电子结构与电子传递、质子传输和物种交换等方面调控作用,并在界面工程的基础上推介了贵金属基复合结构的合成、组装的几种典型方式.本文以具体示例的形式,分别从表面工程和界面工程的角度,扼要介绍了本课题组最近在甲酸氧化、氧还原、析氢等电催化反应体系中贵金属基纳米结构及其复合纳米结构电催化剂的设计、合成与构筑的具体做法.我们分别介绍了低指数晶面和高指数晶面的表面设计对于提高催化剂性能的关键作用.对于低指数晶面,我们重点介绍了如何获得相似尺寸的不同表面晶面以研究其晶面效应,如何维持相同晶面调节尺寸以研究其尺寸效应,如何建造与电极有良好电学接触的低指数晶面纳米结构,以利于提升其电催化性能.对于高指数晶面,介绍了几种形成高指数晶面的途径,并阐明了其晶面对电催化性能的影响.另一方面,我们从金属纳米结构及其复合结构的成分和结构调控策略介绍了界面构建对于提升电催化性能的奇妙作用,包括建造多金属纳米结构、与二维材料负载组装和利用界面极化.由此,本文总结了表面和界面工程对于电催化剂设计、合成和构筑目前面临的三个关键挑战.     

含羧基席夫碱型配合物纳米结构材料的制备及谱学性质研究

采用对氨基苯甲酸分别与对苯二甲醛、间苯二甲醛反应, 制备出两种带有端羧基的席夫碱型配体. 控制一定条件, 与铁、钴、镍、铜、锌等过渡金属配位后得到一系列微观形貌不同的金属配合物纳米结构材料. 通过红外、XRD、TEM、SEM等表征手段, 考察了相应金属配合物纳米结构材料的结构与性质. 用荧光光谱考察配合物纳米结构材料的光致发光性能. 发现与原席夫碱型配体相比, 大部分配合物纳米结构材料表现出荧光淬灭现象, 但含Zn2＋的配合物纳米结构材料具有很好的荧光响应, 个别甚至优于配体本身的荧光强度, 表现为荧光增强效应. 以金属配合物纳米结构材料为基底, 考察其对探针分子(2-巯基苯并噻唑)的表面拉曼增强(SERS)性能. 结果发现, 通常具有较粗糙表面的配合物纳米结构材料对探针分子有一定的SERS效应.     

化学气相沉积法制备ZnO纳米结构薄膜及其SERS活性研究

提供了半导体作为光、电和生物等功能材料的表面和界面信息, 同时也为SERS的研究开拓了新的领域.     

硝酸刻蚀银表面的增强拉曼光谱及其在表面化学中的应用

最近,我们摸索出的硝酸刻蚀法制备有SERS(Surface Enhanced Raman Scattering,表面增强拉曼散射)活性的银表面,有良好的热稳定性,且费用低廉,预期在研究金属表面反应、催化和金属-聚合物界面结构等方面可发挥作用。在展示了这一新方法具有极高的表面增强因子后,本文介绍用该法研究吸附质的自集合(self-assembly)和表面取向结果。     

空间分辨电化学技术用于研究金属局部腐蚀

综合介绍我们已建立的具有微米空间分辨度的电化学方法,主要包括多种扫描微电极技术,并用于研究金属表面和金属／溶液界面电化学不均一性及局部腐蚀破坏过程。结果表明,这些空间分辨电化学方法的发展及应用,有助于深化对金属表面和金属／溶液界面电化学不均一性,特别是金属局部腐蚀发生、发展过程机理的认识。     

吡啶在几种金属纳米线阵列上的表面增强喇曼光谱

近20多年来利用表面增强喇曼光谱（SERS）的研究还仅限于Ag,Au,Cu这三种具有强SERS效应的金属,最近,田中群等利用合适的表面处理方法和共焦曼光谱技术成功地获得了许多无机离子和有机小分子吸附在一系列的过渡金属（如Pt,Ni,Fe,Pd,Rh,Co,Ru等）上的SERS光谱,拓宽了SERS的应用范围,但这些表面处理方法对基底进行处理时存在着较大的随机性,从而导致对所得SERS信号的解释困难。近年来通过自组装膜、模板合成等技术可得比较有序具有强SERS效应的或表面,例如Nie等最近发现尺寸分布狭窄的Ag溶胶粒子（约80－100nm）能诱导出巨大的SERS增强;Freeman和C tffumj m jf rbutb uqf At A 体微粒组装在聚合物基底上,制得高活性的SERS基底,以上工作都表明制备有序纳米级金属颗粒表面将推动SERS的应用和机理研究,迄今,3半导体纳米线阵列上的喇曼光谱已有报道,而利用金属纳米线阵列作为SERS基底除半于样模合成法制备的Ag纳米线阵列上的SERS之外,尚未见其它相关报道,本文主要研究样模合成法制备金属纳米线的过程,并以此为基底研究吡啶吸附的SERS光谱。     

《界面电化学》专辑序言

界面电化学是以研究电极-电解液界面的结构和性质以及各种电极过程为特点的电化学科学的重要方向. 随着能源科学的迅猛发展,围绕各种复杂电化学界面、探讨其在能源电化学过程中的特殊作用显得十分重要,而发展和运用各种原位和非原位表征方法研究复杂界面的结构和性能关系也日益受到关注. 本专辑收录论文9篇,包括7篇研究论文和2篇综述,侧重于锂基电池、电催化和离子液体电化学体系中的界面问题,反映我国学者在电化学界面基础和应用研究方面所取得的最新进展,并评述有关能源电化学界面所存在的问题、挑战和解决策略.希望籍此促进我国电化学研究的进一步发展. 在此,谨对所有为本专辑撰稿的作者所给予的大力支持和贡献表示诚挚谢意！ 同时对审稿人及编辑部工作人员为本专缉的出版所付出的辛勤劳动表示衷心感谢！