電化學(xué)原位拉曼分析技術(shù)應(yīng)用及解決方案
一、引言
拉曼光譜是一種散射光譜，從拉曼光譜中可以得到分子振動(dòng)能級(jí)（點(diǎn)陣振動(dòng)能級(jí)）與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的信息。以其信息豐富、制樣簡(jiǎn)單、水的干擾小等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)、材料、物理、高分子、生物、醫(yī)藥、地質(zhì)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)發(fā)展的不斷進(jìn)步，普通的拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)不能滿足研究需求，為此科學(xué)家們不斷給拉曼光譜開(kāi)外掛，發(fā)展了電化學(xué)原位拉曼等原位拉曼表征技術(shù)，在分子水平上現(xiàn)場(chǎng)表征、無(wú)標(biāo)記生物醫(yī)學(xué)成像、結(jié)構(gòu)可視化等方面不斷為科研人員做出神助攻。
電化學(xué)原位拉曼光譜法的原理是利用物質(zhì)分子對(duì)入射光所產(chǎn)生的頻率發(fā)生較大變化的散射現(xiàn)象, 將單色入射光（包括圓偏振光和線偏振光） 激發(fā)受電極電位調(diào)制的電極表面, 通過(guò)測(cè)定散射回來(lái)的拉曼光譜信號(hào)（頻率、強(qiáng)度和偏振性能的變化）與電極電位或電流強(qiáng)度等的變化關(guān)系。原位拉曼測(cè)量是一種動(dòng)態(tài)探測(cè)電極材料充放電結(jié)構(gòu)和相組成的強(qiáng)大技術(shù)，使得其在儲(chǔ)能領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，本文將主要介紹電化學(xué)原位拉曼光譜技術(shù)，并從優(yōu)秀期刊中選取幾篇具有代表性的工作對(duì)其相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行介紹，針對(duì)電化學(xué)原位拉曼分析技術(shù)，卓立漢光可提供系列解決方案。
二、典型應(yīng)用
在電催化領(lǐng)域，原位光譜表征可以提供關(guān)于催化劑結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的詳細(xì)信息以及反應(yīng)時(shí)催化劑表面吸附的中間體的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)合構(gòu)型，還可以原位觀測(cè)電池電極反應(yīng)過(guò)程。
近日，廈門(mén)大學(xué)李劍鋒教授課題組在表界面電子結(jié)構(gòu)及催化過(guò)程的原位拉曼光譜分析領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，其團(tuán)隊(duì)借助于SHINERS技術(shù)在單晶界面研究的巨大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了不同單晶表面催化反應(yīng)過(guò)程的原位動(dòng)態(tài)跟蹤，并獲得重要中間物種的直接光譜證據(jù)，證實(shí)了催化領(lǐng)域中長(zhǎng)期以來(lái)的推測(cè)，選取其中具有代表性的幾篇簡(jiǎn)要概述。
1、研究ORR反應(yīng)過(guò)程——原位觀測(cè)O2-、OH*和HO2*等中間物種的直接光譜證據(jù)
通過(guò)采用原位電化學(xué)殼層隔絕納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜（SHINERS）和密度泛函理論（DFT），研究了Pt(hkl)單晶表面的ORR反應(yīng)過(guò)程。該研究在Pt(111)單晶表面獲得ORR中間物種過(guò)氧物種HO2*的光譜證據(jù)，在Pt(110)和Pt(100)單晶表面，則獲得ORR中間物種OH*的光譜證據(jù)。而在堿性條件下，他們?cè)赑t(hkl)三個(gè)基礎(chǔ)單晶表面獲得ORR過(guò)程的中間物種超氧物種O2-的光譜證據(jù)。因此，SHINERS技術(shù)為原子級(jí)平滑的單晶表面的催化過(guò)程及其中間產(chǎn)物的研究，提供了一種有效而可靠的原位光譜途徑。相關(guān)成果以“In situ Raman spectroscopic evidence for oxygen reduction reaction intermediates at platinum single-crystal surfaces”為題發(fā)表在Nature Energy上。
上圖拉曼結(jié)果表明：在酸性條件下，在Pt(110)和Pt(100)單晶表面，獲得OH*的光譜（1080 cm−1峰位屬于Pt–OH 彎曲振動(dòng)），Pt(111)獲得HO2*的光譜（732 cm-1峰位屬于HO2*的O-O 伸縮振動(dòng)）；在堿性條件下，Pt(hkl)三個(gè)單晶表面獲得O2-的光譜（1150cm-1處峰位屬于O2-的O-O伸縮振動(dòng)）。
2、研究HER/HOR反應(yīng)過(guò)程——原位觀測(cè)OHad中間物種的直接光譜證據(jù)
通過(guò)采用原位電化學(xué)表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)和密度泛函理論(DFT)研究了PtNi合金和Pt表面的HOR過(guò)程。光譜證據(jù)表明，吸附羥基物種(OHad)在堿性條件下直接參與PtNi合金表面的HOR過(guò)程。然而，OHad在HOR過(guò)程中，Pt表面沒(méi)有觀察到該物種。結(jié)果表明，Ni摻雜促進(jìn)了羥基在鉑合金催化表面的吸附，提高了HOR活性。DFT計(jì)算還表明，羥基吸附降低了自由能。因此通過(guò)設(shè)計(jì)雙功能催化劑來(lái)調(diào)節(jié)OH的吸附是提高HOR活性的有效方法。相關(guān)成果以“Spectroscopic Verification of Adsorbed Hydroxy Intermediates in the Bifunctional Mechanism of the Hydrogen Oxidation Reaction”為題發(fā)表在 Angewandte Chemie上。
上圖拉曼結(jié)果表明Au@PtNi/C比Au@Pt/C具有更高的HOR催化活性，摻雜Ni可以顯著改善HOR速率。結(jié)合DFT計(jì)算，表明778 cm-1處的峰可歸因于Ni-Ni橋位上吸附OHad的搖擺振動(dòng)，因此，OHad可以被認(rèn)為是除了Had之外的一個(gè)重要的 HOR中間物種。
3、研究界面電氧化過(guò)程——原位觀測(cè)OH*和COOH*物種形成和消失的直接光譜證據(jù)
通過(guò)采用原位電化學(xué)殼層隔絕納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜（SHINERS）結(jié)合理論計(jì)算，研究了酸性溶液中CO在Pt(hkl)表面的電氧化行為。在該工作中，利用原位SHINERS光譜技術(shù)，獲得了Pt(111)和Pt(100)上頂位和橋位吸附的CO*分子的拉曼信號(hào)，而在Pt(110)表面僅觀察到頂位吸附的CO*分子。另一方面，在Pt(111)和Pt(100)表面CO電氧化過(guò)程中的氧化前峰區(qū)間，并通過(guò)同位素取代實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論進(jìn)行了驗(yàn)證，說(shuō)明OH*和COOH*物種的形成和吸附在CO分子的電氧化過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，并與CO電氧化過(guò)程中氧化前峰相關(guān)。該工作系統(tǒng)地研究了Pt(hkl)單晶電極表面CO的吸附和電氧化過(guò)程，為抗毒化和高效催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的視角。相關(guān)成果以“In Situ Raman Study of CO Electrooxidation on Pt(hkl) Single Crystal Surfaces in Acidic Solution”為題發(fā)表在Angewandte Chemie上
上圖拉曼結(jié)果表明隨著電位的增加，在0.2 V~0.3 V有出現(xiàn)1090 cm−1處的峰可以歸因于吸附在 Pt(100) 表面上的OH*的彎曲模式，1005 cm-1峰歸因于COOH*的C-O(H)伸縮振動(dòng)，直到0.7 V處衰減。2050-2080 cm-1附近的ν(CO)頂帶的峰值位置表現(xiàn)出頻率的線性增加，高于0.8 V，表面上的大部分CO被氧化，導(dǎo)致CO帶強(qiáng)度急劇下降，直到1.1 V，此時(shí)CO信號(hào)完全衰減。
三、卓立漢光解決方案
測(cè)試設(shè)備：
拉曼光譜系統(tǒng)：共聚焦顯微拉曼光譜系統(tǒng)、小型科研拉曼光譜儀多種型號(hào)可選。借助各類原位池或者探針臺(tái)，我們可實(shí)現(xiàn)對(duì)原始反應(yīng)狀態(tài)的樣品進(jìn)行檢測(cè)而避免將其暴露在空氣中，電學(xué)可根據(jù)需求搭配客戶的電化學(xué)工作中或源表等電學(xué)測(cè)量設(shè)備。
共聚焦顯微拉曼系統(tǒng)
特色功能
- 對(duì)粉末、塊體、液體等樣品進(jìn)行微區(qū)拉曼光譜測(cè)量；
- 可進(jìn)行溫場(chǎng)原位拉曼光譜測(cè)量、電催化原位和鋰（空）電池原位拉曼測(cè)量；
- 內(nèi)置532，638，785常用激光器，激光光路固化無(wú)需切換和調(diào)節(jié)
- 可擴(kuò)展第四路單模光纖激光器或者自由光路耦合，兼容各類激光器
- 狹縫-CCD 和光纖針孔兩種耦合方式，任意切換，兼顧顯微成像和共聚焦模式
- 采用超高精度電動(dòng)平臺(tái)，1um定位精度，可升級(jí)拉曼Mapping 功能
- 提供與開(kāi)環(huán)，閉環(huán)高低溫等各類樣品臺(tái)等的多種聯(lián)用方案
- 可與高光譜系統(tǒng)直接聯(lián)用，進(jìn)行微區(qū)透反吸，暗場(chǎng)散射光譜，寬場(chǎng)熒光光譜采集
FI532-Pro小型拉曼光譜儀搭配電化學(xué)原位池
科研級(jí)小型拉曼光譜儀
產(chǎn)品特點(diǎn)
- 可快速進(jìn)行常量、微量、痕量物質(zhì)分析
- 儀器小巧，變身顯微拉曼光譜儀，滿足用戶顯微分析需求
- 自動(dòng)測(cè)試模式，一鍵識(shí)別，一鍵辨真假、一鍵判可疑
- 內(nèi)置可充電鋰電池，無(wú)需外接電源，可連續(xù)在現(xiàn)場(chǎng)續(xù)航四小時(shí)以上
- 采用自由空間光路設(shè)計(jì)，應(yīng)用深制冷的檢測(cè)儀，保證了超強(qiáng)的靈敏度
- 儀器增加樣品暗倉(cāng)式設(shè)計(jì)，使儀器在做需要避光處理測(cè)試測(cè)試需求時(shí)，使場(chǎng)合更加靈活
- 軟件融入多種強(qiáng)大的算法，檢測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速分析，滿足科研分析測(cè)試需求
- 可靈活搭配電化學(xué)原位池等各類原位池進(jìn)行原位拉曼光譜測(cè)量
引用文獻(xiàn)：
[1] Jin-ChaoDong, et al., In situ Raman spectroscopic evidence for oxygen reduction reaction intermediates at platinum single-crystal surfaces, Nature Energy 2018
[2] Yao-Hui Wang, et al., Spectroscopic Verification of Adsorbed Hydroxy Intermediates in the Bifunctional Mechanism of the Hydrogen Oxidation Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2021
[3] Min Su, et al., In Situ Raman Study of CO Electrooxidation on Pt(hkl) Single Crystal Surfaces in Acidic Solution, Angew. Chem. Int. Ed. 2020
13810146393
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