电化学原位表面增强拉曼光谱研究Au@Pd纳米粒子薄膜电极上吸附 CO的斯塔克效应

电化学 Stark效应是指电极溶液界面的吸附物或金属-吸附物之间的化学键的振动频率随电极电势而发生变化的现象.研究该效应,可以更好地理解吸附物与基底的相互作用(如吸附构型、吸附取向和覆盖度等随电位的变化),也可反过来推断电极基底的电子构型及其随电势的变化规律,对理解电化学双电层的结构以及电催化反应的构效关系都很有帮助.多年以来,电极表面吸附 CO的电化学 Stark效应广受关注,是由于 CO为很多小分子氧化的中间产物,研究 CO的谱学行为,可加深对 CO以及其它能产生 CO中间物有机小分子的电催化氧化机理和动力学的理解;另一方面, CO与过渡金属之间普遍存在s给电子以及p反馈电子作用,因此 CO也可作为探针分子,通过考察 COad以及 M–COad的振动频率的变化,可推断相应条件下基底的电子与几何结构等信息.
　　本文使用电化学原位表面增强拉曼技术,在一个大的电势范围内考察了 Au@Pd纳米粒子薄膜电极上饱和吸附 CO的振动光谱行为,以期更好地理解 COad与基底的成键作用与电极电势之间的关系.由于纯 Pd电极表面的拉曼信号太弱,实验使用具有核壳结构的 Au@Pd纳米粒子薄膜作为模型电极,并利用 Au核的拉曼增强特性.宽广的电势范围约–1.5到0.55V vs. NHE,通过使用酸性、中性以及碱性电解质得以实现.实验考察的电势上限由 COad氧化起始电位决定,而下限由强烈氢析干扰测量所限制.结果表明,在检测的电势范围内, C–OM(M指在电极表面的桥式吸附CO和穴位吸附 CO所形成的谱带重叠)和 Pd–COM键的振动频率可以分为三段： dνC–OM/dE在–1.5~–1.2 V范围内是185~207 cm–1/V,在–1.2~–0.15 V是83~84 cm–1/V,在–0.2~0.55 V是43 cm–1/V;而 dνPd–COM/dE在–1.5~–1.2 V范围内是–10~–8 cm–1/V,在–1.2~–0.15 V是–31~–30 cm–1/V,在–0.2~0.55 V是–15 cm–1/V.与同时记录的极化曲线对比,认为在中性和碱性介质中所观察到 dνC–OM/dE在–1.2 V附近的急剧变化与电极表面发生了强烈的析氢反应有关.另外,结合密度泛函理论模型计算,认为共吸附的 H减少了 COad从桥式构型到穴位构型的转变,在酸性介质中这种变化不明显,可能是由于对应的电势较高,桥式吸附的 CO比例越大,桥式向穴位的转变本身相对较少.     

PdAu(100)和PdAu(111)双金属表面的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(Density Functional Theory DFT)研究Au(100)和Au(111)表面含有不同Pd构型时表面的形成能.结果表明,非连续Pd构型的形成能较连续Pd构型的低,在表面易形成,其中第二临位Pd对构型被证实是乙烯与醋酸结合生成醋酸乙烯反应中催化活性最高的构型.随后计算CO在不同表面Pd原子的顶位吸附能和Pd原子的d带中心,结果显示表面Pd原子与相邻金原子之间几乎没有电子传递,并且PdAu(111)表面的Pd原子d带中心随周围Au原子个数的增加而远离费米能级,伴随着CO在其上吸附能的减小,但是同样的趋势在PdAu(100)表面不存在.最后,通过计算,CO在金属表面的吸附机理为CO成键轨道5σ的电子传递给Pd原子的d带,而Pd原子的d带电子又反馈回CO的反键轨道2π*.     

甲酸在Pt-Ru/GC电极上氧化的SERS研究

采用循环伏安(CV)法、计时电流法和电化学原位表面增强拉曼散射光谱(SERS)技术研究了甲酸在Pt-Ru/GC电极上的氧化行为, 发现甲酸在Pt-Ru/GC电极上与在粗糙Pt电极上一样, 也能自发解离出强吸附中间体CO和活性中间体—COO－. 从分子水平证实钌的加入有利于提高电极对甲酸的电催化氧化活性, 当镀液中Pt：Ru的摩尔比从10∶1变化到1∶1, CO的氧化峰电位从0.41 V负移至0.35 V, 约负移了60 mV. Pt-Ru/GC(1∶1)电极与粗糙Pt电极相比, CO在电极表面氧化完毕的电位亦负移了约200 mV. 该研究结果表明, 电化学原位表面增强拉曼散射光谱技术可望成为研究电催化反应机理的普适谱学工具.     

非水体系中甲醇在粗糙铂电极上解离吸附的表面增强拉曼 光谱研究

利用共焦显微拉曼系统和表面增强拉曼散射(SERS)效应研究了非水体系中甲醇在粗糙铂电极上的解离吸附过程。结果表明：甲醇在粗糙铂电极上解离吸附后产生了毒性中间物CO,在较负的电位区间内,H与CO共吸附于电极表面并影响CO的吸附行为,随电位正移,ν~P~t~-~C的变化可以用电化学Stark效应进行解释,而ν~C~~O的变化则是由于电化学Stark效应和CO偶极耦合的共同作用所引起的。     

酸性介质中1,2-丙二醇在铂电极上吸附和氧化过程的原位FTIR反射光谱研究

应用电化学循环伏安和原位FTIR反射光谱研究1,2-丙二醇在Pt电极上吸附和氧化过程。结果指出1,2-丙二醇的电氧化可按双途径进行。其一经1,2-丙二醇在Pt上解离吸附产物氧化至CO_2。但在较低电位下这些解离吸附产物(红外检测为CO_(ad)、[﹥C=CH_2]_(ad)等)累积吸附于电极上, 毒化Pt表面抑制其它反应。当电位大于0.3 V后它们一经生成即氧化脱附, 从而使1,2-丙二醇得以在未毒化Pt表面经反应中间体氧化至CO_2。在实验条件下,原位FTIR反射光谱检测到的反应中间体可能有HOC-CHOHCH_3(或CH_2OHCOCH_3)和HOOC-COCH_3(或HOOC-CHOHCH_3)等物种。     

酸性介质中1,2-丙二醇在铂电极上吸附和氧化过程的原位FTIR反射光谱研究

应用电化学循环伏安和原位FTIR反射光谱研究1,2-丙二醇在Pt电极上吸附和氧化过程。结果指出1,2-丙二醇的电氧化可按双途径进行。其一经1,2-丙二醇在Pt上解离吸附产物氧化至CO_2。但在较低电位下这些解离吸附产物(红外检测为CO_(ad)、?C=CH_2]_(ad)等)累积吸附于电极上,毒化Pt表面抑制其它反应。当电位大于0.3V后它们一经生成即氧化脱附,从而使1,2-丙二醇得以在未毒化Pt表面经反应中间体氧化至CO_2。在实验条件下,原位FTIR反射光谱检测到的反应中间体可能有HOC-CHOHCH_3(或CH_2OHCOCH_3)和HOOC-COCH_3(或HOOC-CHOHCH_3)等物种。     

Au@SiO2膜/Ti电极吸附吡啶的表面增强拉曼光谱研究

基于壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术,合成了Au@SiO₂纳米粒子,并对其进行了相关表征. 结果表明,包裹的二氧化硅层连续、致密,Au@SiO₂膜/Ti电极上可获得金属钛电极上吸附吡啶分子的高质量表面增强拉曼光谱（SERS）信号. 通过Pt、Ni电极的测试,证实该信号源于吸附在基底表面的吡啶分子. 此外,Au@SiO₂膜/Ti电极上吸附吡啶分子的现场SERS光谱研究表明,在-0.1 V ~ -0.6 V电位区间,吡啶分子平躺吸附,从-0.6 V起吸附的吡啶分子由平躺逐转变为垂直,而当电位为-1.2 V时,电极表面析氢,吡啶脱附.     

铂电极上苯和苯磺酸吸附定向的现场红外反射吸收光谱电化学方法研究

本文用现场红外反射吸收光谱电化学方法和循环伏安法研究铂电极上苯和苯磺酸的吸附定向.对于苯/铂势系,电势在-0.6至0.0 V(相对饱和甘汞电极)内,苯主要以垂直方式吸附;在0.0至0.8 V内则主要以平躺方式吸附.对于苯磺酸/铂体系,电势在-0.4至0.0 V内,苯磺酸分子中的苯环主要呈垂直吸附且SO_3H基团远离电极表面;在0.0至1.0 V内则主要以倾斜平躺方式吸附,SO_3H基团通过其中的两个氧原子吸附于电极表面上.     

酸性溶液中钯催化醇电化学氧化的研究

应用电化学循环伏安法(CV)和现场红外光谱(FTIR),研究了酸性溶液中钯催化甲醇、乙二醇电氧化的过程.结果表明:在酸性和中性介质中,甲醇和乙二醇在多晶Pd电极上氧化须在1.5V以上才能发生.随着溶液pH值的降低,过电位减小且峰电流密度上升.溶液的pH值以及电极表面形成的吸附含氧物种对Pd电催化氧化醇有显著的影响.现场红外光谱电化学测试显示,在高电位和强酸性介质中,乙二醇在Pd电极上的氧化产物主要是CO2和少量的乙二酸.在酸性和中性介质中,无论在低电位或高电位,甲醇和乙二醇在Pd上氧化的主要产物是CO2,没有发现CO的存在,说明该氧化过程CO2是经过非毒化的路径产生的.     

和频振动光谱研究多晶金电极/溶液界面乙腈分子取向的flip-flop行为

用和频振动光谱研究乙腈/金电极界面,观测到乙腈的甲基振动峰强度随施加的电极电势而变化.当电极电势越过零电荷电势（pzc）时,甲基振动峰符号发生反转,这意味着基团取向发生反转（flip-flop）.由此推断出乙腈分子在金电极界面的吸附构型.即在零电荷电势下,电极界面吸附的乙腈分子构型为甲基靠近电极表面而腈基远离电极表面;而高于零电荷电势则电极界面吸附的乙腈分子构型发生反转,变为腈基靠近电极表面而甲基远离电极表面的构型.     

电化学方法和表面增强拉曼光谱技术研究钴电极表面咪唑的吸附和缓蚀行为

利用电化学和表面增强拉曼光谱方法研究了咪唑和钴电极的相互作用. 分析并指认了不同电极电位下咪唑溶液中钴电极上的表面增强拉曼光谱(SERS), 发现随电极电位的变化, 在钴电极表面存在三种表面物种并且可以在一定程度上相互转化. 在较负电位(−1.2~−0.9 V)区间, 咪唑在钴电极表面以吸附物种为主, 随电位正移, 吸附取向由通过吡啶N垂直吸附逐渐向C2=N3双键倾斜; 在较正电位区间(−0.8~−0.7 V)内, 吸附咪唑的信号逐渐减弱乃至消失, 而钴和咪唑的络合物信号逐渐增强; 开路电位(−0.6 V)下出现很强的钴的氧化物谱峰. 同时, 文中比较了钴电极表面在空白溶液和加入咪唑后的溶液中的极化曲线, 发现咪唑对钴电极的缓蚀作用较为明显. 该研究结果表明, 联合表面增强拉曼光谱技术和电化学方法使得人们可以从分子水平上了解表面物种和电极表面间复杂的相互作用.     

Pt电极表面共吸附层NO和CO氧化还原的CV及原位FTIR研究

应用电化学循环伏安方法（CV）和原位傅里叶变换红外反射光谱（in situ FTIRS）研究了酸性溶液中Pt多晶电极表面NO和CO的共吸附行为及吸附态CO对吸附物种NO氧化还原反应的影响．研究结果表明,0．20V（VS．SCE）时,CO和NO能同时稳定吸附在Pt电极表面,CO以线性吸附态（CO L）存在,NO以桥式吸附态（NOB）和线性吸附态（NO L）共存．CO L 的共存使得NO的还原电流峰电位负移约0．024V,并且促使不易被氧化的NO B在0．93V处被氧化．原位FTIRS研究进一步表明,NO可以置换预吸附在电极表面的CO,NO和CO在Pt多晶电极表面的吸附是一个竞争吸附的过程．在0．45V-1．2V电位区间,NO和CO都能转化为环境友好产物,分别为NO3-和CO2．且Pt电极表面共吸附物种CO的量直接影响NO B的氧化产物NO3-的生成量．     

Rh多晶表面CO2还原过程的电化学和原位FTIR反射光谱研究

应用程序电位扫描法和电化学原位FTIR反射光谱从定量角度在分子水平 上研究了CO2在Rh电极上的电催化还原性能。红外光谱结果指出CO2还原的吸附产物为线型和桥式吸附态CO物种。在所研究和还原电位范围（－0．15－0．40V）和相同还原时间,CO2还原吸附物种的氧化电量随还原电位的负移而增大,在每个还原电位下,时间超过250s时都可达到一个相应的饱和值。原位红外光谱和电化学研究结果表明,CO2的还原与Rh电极表面氢吸附反应密切相关,同时需要一定数量相邻表面位的参与。因此生成的CO不能在Rh电极表面达到满单层吸附,而是形成均匀的亚单层分布。     

聚吡咯-碳载Pd催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化

通过低温氧化法在活性碳表面修饰聚吡咯(PPy-C), 并以PPy-C为载体制备了纳米Pd催化剂(Pd/PPy-C). 采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段对载体PPy-C及催化剂Pd/PPy-C进行了表征, 电化学测试结果表明, Pd/PPy-C催化剂电极不但能够增强催化剂对甲酸催化氧化的活性, 而且还能够大幅度提高催化剂的稳定性, 因此以PPy-C为载体的Pd/PPy-C催化剂是一类具有潜在应用前景的直接甲酸燃料电池阳极催化剂. 通过分析电化学比表面随循环伏安次数的变化及多电势阶跃实验结果表明, 催化剂电极活性衰减的主要原因是载体被氧化及电极表面积累强吸附物种的结果.     

甲醇在欠电位沉积Sn/Pt电极上催化氧化

在欠电位沉积（upd）锡修饰的铂电极（upd-Sn/Pt）上,对甲醇电化学催化氧化过程进行了研究.发现当Pt表面upd-Sn的覆盖率在20％附近时,对甲醇的催化氧化的增强作用最为明显；在电位低于0.35 V （vs RHE）时,甲醇在Pt与upd-Sn/Pt电极上氧化只进行到脱氢生成CO的步骤;在0.35 V以后,表面Sn－OH形成,反应Sn－OH＋COads=Sn＋CO2＋H＋＋e有利于表面CO的去除;而Pt电极上,只有0.6 V以后,才有反应Pt－OH＋COads=Pt＋CO2＋H＋＋e发生.因此,Sn的存在有利于甲醇在较低的电位下氧化; Pt电极上CH3OH脱氢并释放出电子的过程是一个快速的过程,表面CO的去除是甲醇氧化过程的控制步骤;甲醇氧化产生的表面吸附态CO 以线式吸附为主,少量的桥式吸附态CO在反应初期即达到吸附饱和; Pt表面上upd-Sn表现的催化增强作用,在光亮铂电极和在高分散铂黑电极上是一致的.     

Cu~(2+)对质子交换膜燃料电池氧电极性能的影响

以旋转圆盘电极模拟PEMFC阴极,计时库仑、循环伏安、线性扫描等电化学方法研究Cu2+电解液对碳载铂催化剂电化学活性和氧还原性能的影响.结果表明,在恒电位0.49 V下,Pt/C催化剂活性比表面(ECA)明显减小,此际基底可能发生Cu欠电位沉积,从而掩盖催化剂的活性比表面;数据拟合指明Cu欠电位沉积占据催化剂表面部分氧原子吸附点位,使该点位桥式吸附的氧原子转变为顶式吸附氧原子.     

铂电极上苯和苯磺酸吸附定向的现场红外反射吸收光谱电化学方法研究

本文用现场红外反射吸收光谱电化学方法和循环伏安法研究铂电析上苯和苯磺酸的吸附定向。对于苯/铂势系, 电势在-0.6至0.0V(相对饱和甘汞电极)内, 苯主要以垂直方式吸附; 在0.0至0.8V内则主要以平躺方式吸附。对于苯磺酸/铂体系,电势在-0.4V至0.0V内, 苯磺酸分子中的苯环主要呈垂直吸附且SO~3H基团远离电极表面; 在0.0至1.0V内则主要以倾斜平躺方式吸附, SO~3H基团通过其中的两个氧原子吸附于电极表面上。     

Preparation of Polypyrrole-Carbon Black Supported Pd Catalyst for Formic Acid Electrooxidation

通过低温氧化法在活性碳表面修饰聚吡咯（PPy-C）,并以PPy-C为载体制备了纳米Pd催化剂（Pd/PPy-C）.采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等手段对载体PPy-C及催化剂Pd/PPy-C进行了表征,电化学测试结果表明,Pd/PPy-C催化剂电极不但能够增强催化剂对甲酸催化氧化的活性,而且还能够大幅度提高催化剂的稳定性,因此以PPy-C为载体的Pd/PPy-C催化剂是一类具有潜在应用前景的直接甲酸燃料电池阳极催化剂.通过分析电化学比表面随循环伏安次数的变化及多电势阶跃实验结果表明,催化剂电极活性衰减的主要原因是载体被氧化及电极表面积累强吸附物种的结果.     

聚3,4-乙烯二氧噻吩/石墨烯/钛电极的制备及其电化学性能

采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法把石墨烯生长在钛(Ti)基底上,并采用电化学氧化聚合法在石墨烯表面沉积聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT),由此构造PEDOT/石墨烯/Ti电极。形貌及结构表征结果表明,电聚合200圈以上的PEDOT呈线状或泡沫状且均匀分布于石墨烯表面。电化学性能测试结果表明,PEDOT/石墨烯/Ti电极具有高的比电容和库伦效率;其电聚合次数为400圈时,与PEDOT/Ti电极相比,比电容提高42倍,其最大电势窗口可达1.4 V,而在0～1.2 V电势窗口范围内,扫描速度为10 mV·s-1时,比电容可达到269.6 mF·cm-2。     

铂电极上吡啶吸附及其取向的现场红外反射吸收光谱研究

用电化学和现场红外反射吸收光谱方法研究了Pt电极上吡啶的吸附取向。结果表明,在-0.80～0.80 V(vs SCE)范围内皆存在吡啶吸附,在较负电势下(约-0.80～-0.20 V),吡啶环可能以2种方式吸附于电极表面上,随电势变正(约-0.20～0.80V)由垂直取向向平躺取向转变,该平躺吸附降低了电极表面及其附近水分子结构的有序性。