电催化还原降解芳香硝基类污染物的原位成像和机理研究

The design and activity optimization of efficient catalysts for pollutant degradation is a vital issue in wastewater treatment. However, the structure-reactivity relationship and reaction mechanism of contaminants conversion is unclear yet, which have greatly hindered their practical applications. While traditional study of the electrocatalytic properties has been largely limited to measuring the averaged current over many nanoparticles deposited on a surface. This ensemble approach makes it difficult to understand the relationship between the structure and the reactivity of catalytic metal nanoparticles. The ability to directly probe redox reactions at the individual nanoparticle level with sufficient spatial and temporal resolutions can potentially enable a deeper understanding of the catalytic process, such as new reaction mechanism and the correlation between the structure and properties. This proposal aims to develop plasmonic-based real-time imaging technique to visualize the p-nitrophenol degradation over single Pd nanoparticles with different exposed facets and elucidate the reaction mechanisms. The method is also high throughput, and allows us to determine statistical distribution of nanoparticles with different electrocatalytic activities. In combinations with high-resolution transmission electron microscopy, high-performance liquid chromatography and density functional theory calculations, we will determine structure-reactivity relationship and elucidate reaction mechanisms of catalytic reduction of pollutants. This project will provides a new in situ electrochemical imaging approach for contaminants conversion and will be beneficial for the design of improved environmental catalysts.

高效污染物降解催化剂的设计和性能优化是污染控制领域的研究热点，但是仍然存在着污染物转化过程的微观机制不清楚和催化剂结构-性能的关系不明确等问题，阻碍了其性能的进一步优化和实际应用。然而电催化系统中传统构效关系的研究方法主要是基于电极表面无数个纳米粒子的统计平均值，无法反映出单个纳米粒子的信息，而单纳米粒子催化的研究则能得到各个纳米粒子的催化特性，有助于发现更深入的催化过程信息，譬如新的反应机理、新的结构与性能间的相关性。本项目拟以不同粒径、晶面的Pd纳米催化剂为例，基于表面等离子共振电化学显微成像技术，发展单个纳米颗粒水平对硝基苯酚电催化还原降解过程的原位观测技术，获取电流密度的图像，并结合高分辨透射电镜、高效液相色谱和理论计算等，确立催化剂结构与性能之间的构效关系和解析污染物转化过程的微观机制，为新型高性能电催化剂的设计提供重要指导。

高效污染物降解催化剂的设计和性能优化是污染控制领域的研究热点，但是仍然存在着污染物转化过程的微观机制不清楚和催化剂结构-性能的关系不明确等问题，阻碍了其性能的进一步优化和实际应用。然而电催化系统中传统构效关系的研究方法主要是基于电极表面无数个纳米粒子的统计平均值，无法反映出单个纳米粒子的信息，而单纳米粒子催化的研究则能得到各个纳米粒子的催化特性，有助于发现更深入的催化过程信息。本项目基于表面等离子共振电化学显微成像技术，聚焦于单纳米颗粒催化转化过程的实时成像分析，主要研究内容包括：1）为研究单个纳米片的污染物降解催化行为，我们发展了一种表面等离极化激元驱动的刻蚀方法，可以精确控制二维过渡金属硫属化合物的层数，通过调节光源的输出功率可得到单层、双层和三层的二硫化钼，同时可以保持纳米片原来的尺寸，为研究层数控制的催化行为，催化活性位点分布提供了理想的催化剂模型体系。2）基于得到的层数可控的纳米片，我们发展了单个纳米片表面典型污染物电化学降解过程的原位观测技术，我们提出一种新策略，先用正十八硫醇修饰金片形成自组织单分子层以消除背景信号的干扰，并开发图像差分算法同时获取了单个MoS2纳米片上的电学信号（导电性）和电催化电流；探索了MoS2层数依赖的电化学性能，发现单层MoS2比多层的电催化活性更高。我们发展的原位成像技术可以实时探测催化剂表面的反应情况和变化，对建立纳米颗粒结构与催化性能的关系、解析污染转化机制和发展新型污染转化技术与方法具有重要意义。