华东师范大学化学与分子工程学院李迪课题组在多相反应界面电化学析气反应原位监测方面取得重要进展。该成果以“In-Situ Plasmonic Tracking Oxygen Evolution Reveals Multistage Oxygen Diffusion and Accumulating Inhibition”为题于2021年4月12日发表于Nature Communications (Nature Commun. 2021, 2164)。
李迪课题组研究成果发现电化学析气反应中气体多步扩散和抑制效应
电极溶液界面是电化学反应发生的场所，在电催化反应进程中该界面同时发生复杂的多相物质传递以及电荷转移过程，深入理解这些界面过程有助于揭示多相界面的催化反应机理、提升反应效率。在气体析出反应中，气体产物分子在电极溶液界面附近存在复杂的扩散过程，气体产物分子聚集与主反应中电子传递互相竞争，并抑制催化效率。如何实现电极溶液界面反应过程的原位监测，并有效获取气体反应产物的物质传递信息，并为界面反应的有效调控提供支撑，是目前研究的主要挑战。
然而，常规电化学表征手段缺乏分子识别功能，无法获取电极溶液界面的复杂气体分子扩散信息。为解决该挑战，本工作通过构筑具有等离激元和高效催化特性的双功能电极界面，利用等离激元的光学信号监测电化学析气反应。以氧气析出过程为模型，通过监测界面反应过程中催化剂状态改变和产物扩散所导致等离子体纳米结构的吸收光谱扰动，获取了界面气体扩散过程信息，发现了电极溶液界面处氧气产物分子的多步扩散过程和气体聚集对电子传递的抑制效应。利用上述信息，通过引入程序电位扫描还原氧气产物，消除界面吸附氧气的抑制，提高了电极反应效率。该工作为气体析出反应过程的监测和提高电催化效率提供了新的思路（图1）。
图1. 原位吸收光谱监测电极溶液界面多相反应过程
华东师范大学化学与分子工程学院博士后王俊刚博士为论文第一作者，李迪教授为通讯作者,华东师范大学为论文第一完成单位。中科院光电技术研究所，中科院微电子研究所以及华东师范大学极化材料与器件教育部重点实验室参与本项研究。该研究得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金以及博新计划的资助。
李迪教授课题组长期从事单分子反应成像研究，聚焦于界面单分子相互作用以及外场作用下单分子反应调控，近期已取得系列成果(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17525-17532; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 515-518; Chem. Sci. 2018, 9, 5967-5975; Chem. Sci. 2020, 11, 1581-1586; Nano Lett. 2020, 20, 2507-2513; J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6786–6794; J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 82-89)。