等离子体纳米薄膜用于电化学析气反应原位光学表征

Gas evolution reactions, as an important part of utilization of hydrogen energy, have attracted tremendous attentions. However, there is still lack of deep understanding of intermediate states and routes, which remain guess. Although there are some predictions based on DFT calculations, the experimental development toward identifying of surface reaction active spots and intermediate states is highly demanded. The unique surface plasmon resonance nearby the plasmonic metal nanostructures is highly sensitive, real-time response and tunable, which provide new chance to solve above-mentioned problems. We are willing to use the “SPRi-Raman-Fluorescence” instrument to investigate the interface reactions by fabricating electrochemical/optical bifunctional substrates based on plasmonic nanofilms. With the help of SPRi signals, we would catch the active spots on nanometer level, and combined with in situ Raman/fluorescence signals, we would get the informations of intermediates and kinetics. This project is hopeful to provide a new analytical technology of catalysts.

气体析出反应（如析氢、析氧等），作为氢能利用的重要组成部分，引起了广泛关注。对于反应的过渡状态和历程等还缺少深刻理解，很多仍处于猜测状态，虽然已有基于密度泛函理论模拟计算的预测，但对表面活性位点和过渡状态的指认的有效实验方法亟待开发。等离子体金属（如金，银等）纳米结构特有的表面等离子体共振信号具有灵敏度高、实时响应、随结构可调等优点，为解决上述问题提供了新的机会。我们拟设计制备等离子体纳米薄膜，构建电化学/光学双功能基底，利用已有的全球唯一一台与HORIBA公司定制的“表面等离子体共振成像-拉曼-荧光”联用仪器，通过表面等离子体共振技术实现对电化学析气界面纳米级区域的定位，从而捕获反应活性位点。同时，结合该区域的荧光/拉曼信号，实现纳米尺度的高分辨率及动态实时的多模式光学检测，跟踪活性材料表面反应动力学、中间体信息等参数，结合局域特征光谱信息和理论模拟，为纳米催化剂性能表征提供新的分析技术

申请人基于表面等离子体共振联用技术实现对气体参与的电化学界面定位，实现多尺度的高分辨率及动态实时的多模式光学检测，探索了析氢（HER）、析氧（OER）等电化学过程中微米和纳米气泡的动力学过程和表面活性位点和过渡状态。主要包括1) 利用氧在面心立方结构的铝(111)晶面的高选择性吸附，可简便的根据合成环境中氧气浓度调控铝纳米片的厚度，同时这种氧吸附钝化作用赋予了铝纳米片良好的稳定性，带来了从可见到近红外区的表面等离子体共振吸收峰的调节以及显著的双光子发光特性。这一策略为可控制备铝基等离子体金属超薄纳米材料提供了有效的方案，并为其他活泼金属纳米材料的合成开辟了新的视野。2) 以原位光学手段，观察了多尺度多视角下的电化学气泡动力学行为。针对气体析出和消耗两种情况，探究了不同形貌和浸润性电极对气泡动态生长过程中接触角、迟滞角、生长因子等参数的影响，结合理论分析，对电极结构优化思路指明了方向。3)针对电化学析气反应中气泡粘附脱附导致传质受限等问题，开发了不对称Janus网格电极策略，实现了催化剂侧反应产气，亲气侧定向导气排出效果；并通过气泡融合释放表面能的方式克服粘附力实现气体快速脱附。发展了一系列用于电解水的高活性电极策略。执行期间，共发表SCI论文10篇，其中代表作发表在Chem (1)，ACS Appl. Mater. Interface (1), Sci. Bullet. (1), Nano Research (1), Langmuir (1)等国际主流期刊上。发明专利授权2项。