李剑锋课题组Pt基纳米催化剂上ORR反应机理的原位拉曼光谱研究

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       李剑锋教授和程俊教授课题组在Pt基纳米粒子上的 ORR反应机理原位拉曼光谱分析领域取得重要进展。相关研究成果以“In situ Spectroscopic Insight into the Origin of the Enhanced Performance of Bimetallic nanocatalysts towards ORR”在线发表于Angew. Chem. Int. Ed. doi.org/10.1002/anie.201908907。

       高效、稳定、低Pt载量氧还原(ORR)催化剂是燃料电池阴极材料的主要研究方向，但ORR反应过程复杂，存在多种路径及中间物种，因此借助先进的光谱技术从分子水平深入研究Pt基纳米催化剂上ORR反应机理具有重大意义，但也极富挑战性。针对这一挑战，本研究利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术（SHINERS），将纳米催化剂静电组装在SHINs上形成卫星结构，在不同pH环境下成功实现了Pt3Co上ORR反应过程的原位分析，直接获得了重要反应中间物种*OOH和桥式吸附*O2的光谱证据，并通过相应的同位素取代实验及DFT理论模拟确认了中间物种的谱峰归属和吸附构型。而在碱性条件下，催化剂表面检测到Co上*OH拉曼信号，揭示了在工况下纳米催化剂表界面结构发生了变化。光谱结果和理论计算共同证明了Pt3Co上ORR是经过*OOH的联合反应机理 (Associative mechanism)，同时解释了由于表面Pt-Pt晶格被压缩和Co把电子转移给金属Pt，促使氧物种*O吸附减弱了0.11 eV, 从而使得Pt3Co上ORR性能提高。此工作是在课题组前期纳米催化剂上多相催化(Nat. Commun., 2017, 8, 15447)和Pt单晶上ORR (Nat. Energy, 2019, 4, 60-67.)的原位拉曼光谱研究基础上进行的，展示了SHINERS可作为原位跟踪催化反应过程的有效方法，也为纳米电催化的原位研究提供了一种新的思路。
       该研究工作在李剑锋教授和程俊教授共同指导下完成。我院博士生王亚浩和博士后乐家波为论文共同第一作者，硕士生李委琼和博士生魏杰等参与了实验工作。该研究工作得到国家自然科学基金和高校基本科研业务费等资助。


       论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.201908907


氧还原反应(ORR)是能量转化反应中非常重要的一环，在燃料电池，金属-空气电池以及电解池中都有很重要的应用。目前最好的ORR催化剂是Pt基催化剂，特别是Pt基合金催化剂，比如说PtNi。此外，研究的比较多的催化剂体系包括Fe-N-C,Ni-N-C以及掺杂型石墨烯C材料等。

李剑锋，男，厦门大学化学化工学院教授。2003年本科毕业于浙江大学；2010年在厦门大学获得博士学位；2011-2014年分别在瑞士伯尔尼大学和瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。主要研究领域为核壳纳米结构、表面等离激元、表面增强拉曼光谱、表面增强荧光光谱、电化学、界面(光、电)催化、便携式快检等。以第一作者或通讯作者身份在Nature、Nature Mater.、Nature Energy、Nature Protoc.、Nature Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等国际高水平学术刊物上发表论文100余篇，被他引6000余次，撰写英语书章节4部，授权专利5项。曾获全国百篇优秀博士论文奖、基金委“优青”基金、中国青年科技奖、入选中组部青年“****”和“万人计划”科技创新领军人才。

程俊教授，厦门大学教授，2002年获得上海交通大学学士学位，2005年获得上海交通大学硕士学位，2008年获得英国贝尔法斯特女王大学博士学位，之后在剑桥大学化学系做博士后，2010年获得剑桥大学Emmanuel College独立研究员职位，2013年在英国阿伯丁大学化学系建立课题组，2015年获得国家“青年##”计划资助全职回厦门大学开展科研工作，被聘为福建省“闽江学者”特聘教授。主要研究方向包括发展第一性原理方法模拟固体表界面的物理化学过程，并将这些方法应用于催化和电化学等能源相关体系。近期课题组也开始拓展实验方向，将理论计算和实验相结合。