落地国产化红外，持续开发高端应用丨电化学原位红外光谱技术在CO2 还原中的应用

2023-11-22 13:39:54 赛默飞智能制作与过程分析

前几日，赛默飞重磅发布了国产化傅里叶变换红外光谱仪，标志着赛默飞红外产品正式落地上海工厂，本着为中国服务的宗旨为中国的科研工作者提供了更高效、更便捷的研究工具，并持续开发各种应用方案。本次内容围绕电化学原位红外光谱技术展开具体研究介绍。

/ 什么是电催化反应 /

电催化反应发生在固体电极/电解质溶液界面。通过控制固/液界面电场的强度和方向,可方便地改变电催化体系的能量,从而实现对电催化反应的速率和方向的控制。与固/气界面发生的异相催化反应类似,固体电催化剂的组成、表面结构、与反应分子的相互作用等因素决定了电催化剂的效率(改变反应途径、降低反应活化能等)。

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电化学原位傅立叶变换红外反射光谱

(in situ FTIR)可简单理解为电化学技术

与红外光谱的结合

既可进行电化学参数的检测，又可同步、原位检测电化学体系的红外光谱信息的变化。传统电化学无法提供反应过程分子水平上的信息，但电化学原位红外反射光谱利用红外光谱的指纹特征和反射光谱特有的表面选律，鉴定参与电极反应过程的中间体、瞬间状态和产物质性，可检测电极表面吸附物种的取向和成键方式等，从而提供了分子指纹的信息，有助于从分子水平上阐明电氧化过程机理。

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电化学原位红外光谱电解池是实现

电化学原位红外检测重要的组成部分

常用的红外反射光谱测试主要包含外反射和内反射两种工作模式。外反射式电化学原位红外光谱电解池中，红外光先透过红外窗片和溶液后，再从电极表面反射到检测器进行检测。内反射式主要指在单晶硅（Si）或锗（Ge）等红外窗片反射面上通过化学镀或真空镀一层纳米级金属膜，作为工作电极或者导电基底，同时纳米金属膜具有表面增强效应。这两种电化学原位红外测试方式的原理示意图如下所示：

/ 案例分享 /

不同比例Pd-Au纳米晶 (PdAuNCs)催化剂对CO2 的转化活性在不同合成条件获得不同比例或形态的Pd-Au纳米晶 (PdAuNCs)，分别作为催化剂利用内反射方式在0.1 M KHCO3 电解液中，Pt为辅助电极，饱和Ag/AgCl为参比电极进行电化学原位红外催化实验。所有原位红外实验都在赛默飞Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪上进行，并配备MCT检测器和Pike VeeMAX Ⅲ可变角附件。

图1：在0.1 M KHCO3 并含有饱和CO2 的电解液中分别测试(a) Pd@Pd7Au3NCs (b) Pd@Pd1Au9 NCs (c) Pd3Au7 NCs (d) Pd 立方体(e) 无催化剂金膜 (f)Pd@Pd3Au7 NCs不同电位下的原位红外光谱图

图1显示了在0.1 M KHCO3 并含有饱和CO2 的电解液中分别测试(a) Pd@Pd7Au3 NCs (b) Pd@Pd1Au9 NCs (c) Pd3Au7 NCs (d) Pd立方体(e)无催化剂的Au膜(f) Pd@Pd3Au7 NCs不同电位下的原位红外光谱图，2341cm-1处的CO2 特征峰呈现负峰是由于体系中CO2 的消耗，同时在相应电位下1900-1800cm-1光谱范围内出现线性和桥式*CO吸附态特征峰，说明体系中CO2气体被还原。对比红外光谱结果显示无Pd-Au合金催化剂存在的纯镀金膜在相应电位变化范围内没有获得有效红外信号如图1(e)，说明Pd-Au合金相对于纯金膜具有更好的催化效应。同时图1(a)(c)(d)红外光谱图中相对图1(f)则需要更负的电位才会出现*CO特征峰，说明在相同反应条件下催化剂Pd@Pd3Au7 NCs的催化活性相对于其他比例和形态的Pd-Au合金催化活性高。

电化学原位红外光谱技术，既可进行电化学参数的检测，又可同步、原位检测电化学体系的红外光谱信息的变化。利用赛默飞Nicolet iS50傅里叶变换红外光谱仪结合Pike VeeMAX Ⅲ可变角附件，研究不同Pd-Au合金催化剂对CO2气体还原的催化活性，获得研究体系实时变化的电化学和红外光谱信息。这项研究的成果为将环境中CO2气体转化为有用的化学资源提供了新催化剂以及潜在的新方法。

1.Xintong Yuan,† Lei Zhang,† Lulu Li, Hao Dong, Sai Chen, Wenjin Zhu, Congling Hu, Wanyu Deng, Zhi-Jian Zhao, and Jinlong Gong. Ultrathin Pd−Au Shells with Controllable Alloying Degree on Pd Nanocubes toward Carbon Dioxide Reduction; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 4791−4794.