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近日，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、江蘇省富碳材料器件工程實(shí)驗(yàn)室張?jiān)〗淌谡n題組報(bào)道了快速、準(zhǔn)確和全面評(píng)估燃料電池電催化劑的新方法，相關(guān)成果以“Elucidating Electrocatalytic Oxygen Reduction Kinetics via Intermediates by Time-Dependent Electrochemiluminescence”為題在化學(xué)領(lǐng)域國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Angew.Chem.Int.Ed.以Hot Paper形式在線發(fā)表。
氧還原反應(yīng)是一種重要的能量轉(zhuǎn)換電化學(xué)反應(yīng)，開發(fā)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的氧還原電催化劑一直是碳達(dá)峰與碳中和科學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。這其中，如何快速、準(zhǔn)確和全面地評(píng)估電催化劑是一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，對(duì)于燃料電池的開發(fā)和電化學(xué)工業(yè)制備過氧化氫至關(guān)重要。盡管膜電極、旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)和表面增強(qiáng)光譜等方法在氧還原動(dòng)力學(xué)的研究中取得了巨大成功，然而在電化學(xué)催化劑擴(kuò)散層中，活性氧中間產(chǎn)物的時(shí)間和空間分布仍然未知，使得氧還原機(jī)理認(rèn)識(shí)缺失，嚴(yán)重阻礙了高性能和高穩(wěn)定氧還原電催化劑的發(fā)展，究其原因是微量和短壽命的活性氧中間產(chǎn)物在定量檢測(cè)方面仍存在挑戰(zhàn)。
東南大學(xué)張?jiān)〗淌谡n題組提出通過活性氧中間產(chǎn)物的生成來建立反應(yīng)速率方程，使用超高靈敏的時(shí)間依賴電化學(xué)發(fā)光檢測(cè)技術(shù)對(duì)堿性介質(zhì)中的電催化氧還原進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)利用電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度可對(duì)氧還原電催化劑的性能進(jìn)行快速分類。更為重要的是，由于活性氧中間產(chǎn)物和電化學(xué)發(fā)光試劑之間存在超高靈敏的定量化學(xué)反應(yīng)，通過對(duì)電化學(xué)發(fā)光的衰減曲線進(jìn)行分析，不僅得到了氧還原表觀速率常數(shù)，還首次成功獲得了活性氧中間產(chǎn)物在不同電位下的時(shí)間和空間分布等動(dòng)力學(xué)信息。根據(jù)燃料電池和電化學(xué)合成過氧化氫對(duì)電化學(xué)氧還原催化劑的不同需求，這些全新的動(dòng)力學(xué)信息有望指導(dǎo)高活性和高穩(wěn)定電催化劑的設(shè)計(jì)和合成，從而助力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)。本工作的第一、第二作者分別為東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生吳開慶和青年教師陳然副教授，通訊作者為張?jiān)〗淌?，東南大學(xué)為該工作的唯一完成單位，該工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助。
活性氧中間產(chǎn)物的時(shí)間和空間分布圖（圖片來自Angew.Chem.Int.Ed.）
