表面增强拉曼光谱在燃料电池与锂电池机理研究中的应用.pdf

第 卷第期光散射学报V o l N o 年月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGJ u n 文章编号:()表面增强拉曼光谱在燃料电池与锂电池机理研究中的应用杨芷兰,朱越洲,张月皎,李剑锋(厦门大学化学化工学院/能源学院,厦门 )摘要:电化学能源技术可以在几乎不产生污染物的情况下将化学能高效转化为电能,是人们当今重点发展的能源技术.这项技术的发展非常依赖合适催化剂的开发.然而对电化学中固液界面反应机理的研究却因为反应复杂,中间产物种类多、含量少、寿命短等而困难重重,限制了能源反应催化剂的进一步开发.表面增强拉曼光谱作为一种指纹识别光谱,能够提供具有极高表面检测灵敏度的拉曼散射信号,从而较好地提供电极表界面分子的结构信息.本文主要介绍表面增强拉曼光谱在燃料电池与锂电池反应机理研究上的应用.首先,本文将会介绍表面增强拉曼光谱通过测定燃料电池半反应氧还原、氢氧化反应的中间物种对反应机理进行研究,其次将会介绍表面增强拉曼光谱通过类似的策略研究锂电池电极反应机理及固液界面动态过程,最后将会总结表面增强拉曼光谱目前在电催化反应应用中的不足之处并对未来作出展望.关键词:表面增强拉曼光谱;燃料电池;锂电池;反应机理中图分类号:O 文献标志码:Ad o i:/j i s s n 收稿日期:,修改日期:基金项目:国家基础科学人才培养基金项目N F F T B S(N o J )、国家自然科学基金委杰出青年项目N S F C()作者简介:杨芷兰(),女,厦门大学本科生,主要从事拉曼光谱分析相关的研究 E m a i l:l a n l a n y s t u x m u e d u c n通讯作者:李剑锋(),男,浙江绍兴,厦门大学教授,博士生导师,主要从事表面增强拉曼光谱、能源表征与分析相关的研究,E m a i l:L i x m u e d u c nS u r f a c e E n h a n c e dR a m a nS p e c t r o s c o p yS t u d y i nt h eR e a c t i o nP r o c e s so fF u e lC e l l sa n dL i t h i u mB a t t e r yYANGZ h i l a n,Z HUY u e z h o u,Z HANGY u e j i a o,L I J i a n f e n g(C o l l e g e o fC h e m i s t r ya n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,C o l l e g e o fE n e r g y,X i a m e nU n i v e r s i t y,X i a m e nF u j i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h en e e df o rp o l l u t i o nc o n t r o la n dt h ed e p l e t i o no fn o n r e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e sh a v em a d e t h ed e v e l o p m e n t o f c l e a ne n e r g ya nu r g e n tn e e d f o r s o c i e t y E l e c t r o c h e m i c a l e n e r g yt e c h n o l o g yc a ne f f i c i e n t l yc o n v e r tc h e m i c a l e n e r g yi n t oe l e c t r i ce n e r g yw i t h o u tp r o d u c i n gp o l l u t a n t s,w h i c ha r o u s e s r e s e a r c h e r si n t e r e s t i n r e c e n t d a y s T h ed e v e l o p m e n t o f t h i s t e c h n o l o g yr e l i e sh e a v i l yo n t h ed e v e l o p m e n t o f s u i t a b l e c a t a l y s t s H o w e v e r,t h e s t u d yo f t h e r e a c t i o nm e c h a n i s ma tt h es o l i d l i q u i di n t e r f a c ei sd i f f i c u l td u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h er e a c t i o n s,t h ev a r i e t yo f i n t e r m e d i a t e s,t h e i r l o wc o n t e n ta n dt h es h o r td u r a t i o no ft h e i re x i s t e n c e,w h i c hf u r t h e r l i m i t st h ed e v e l o p m e n to fc a t a l y s t s S u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y,a s am o l e c u l a r f i n g e r p r i n t s p e c t r u m,i s a b l e t oo b t a i ns t r o n ga n ds e n s i t i v eR a m a ns c a t t e r i n gs i g n a l s a n d t h u sp r o v i d eg o o ds t r u c t u r a l i n f o r m a t i o no nm o l e c u l e s a t t h e e l e c t r o d e s u r f a c e i n t e r f a c e T h i sp a p e r f o c u s e so n t h e a p p l i c a t i o no f s u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p yt ot h es t u d yo f t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mo f f u e l c e l l s a n d l i t h i u mb a t t e r i e s F i r s t l y,t h i s a r t i c l ew i l l i n t r o d u c e t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fe n h a n c i n gt h er e a c t i o no f i n t e r m e d i a t es p e c i e s i nf u e lc e l le n e r g yr e a c t i o n sO R Ra n dHO Rb ys u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y S e c o n d l y,i tw i l l i n t r o d u c e t h em e c h a n i s mo f e l e c t r o d e r e a c t i o n s a n dd y n a m i cp r o c e s s e s a t t h e光散射学报第 卷s o l i d l i q u i di n t e r f a c eo fl i t h i u m b a t t e r i e st h r o u g hs i m i l a rs t r a t e g i e su s i n gs u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y F i n a l l y,i tw i l ls u mm a r i z et h es h o r t c o m i n g so fs u r f a c e e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y i nt h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o c a t a l y t i c r e a c t i o n sa n dm a k e f u t u r ep r o s p e c t s K e yw o r d s:s u r f a c e e n h a n c e d R a m a ns p e c t r o s c o p y;f u e lc e l l s;l i t h i u m b a t t e r y;r e a c t i o nm e c h a n i s m引言在能源短缺问题日益严重的今天,电化学能源转换技术作为一种能够将化学能高效转化为电能的清洁能源技术而被广泛研究.燃料电池是一种新型能量转化装置,氧气和氢气可以分别通过燃料电池的 阴极 还 原(O x y g e nR e d u c t i o nR e a c t i o n,O R R)和阳极氧化(H y d r o g e nO x i d a t i o nR e a c t i o n,HO R)过程实现化学能向电能的转换,并且这两种产能电化学反应的能量密度相比于其他电池要更高.此外,相较于以化石燃料为基础的传统能源供给方式,以锂电池为代表的二次能源的出现打破了以往的碳基供能方式,减少了碳排放量,为可持续发展提供了新路径.锂电池主要包括固态锂电池,半固态锂电池以及液态锂离子电池.其中锂离子电池、因其高比能量以及优异的循环性能,已经被广泛应用于便携电子设备和电动汽车.然而,锂离子电池的性能还是无法达到人们的预期以应用于更广泛的商业市场,因此人们开始试图发展锂氧电池及锂硫电池,后者在理论上拥有更好的性能.限制电池性能发展的因素之一就在于缺乏在原子水平对催化剂材料或电极材料表面发生的反应机理的理解,从而限制了对催化剂或电极材料的设计与改进,.然而其中涉及到复杂的固液/固固界面反应过程,中间产物种类多,含量少,寿命短,难以监测,限制了对于反应机理的进一步研究,进而影响了对于催化剂的设计开发.相较于常规的循环伏安法、计时电流法、阻抗谱等电化学表征方法,电化学谱学方法提供的诸多直接光谱证据有助于更直观地表征复杂固液/固固界面的电化学反应过程,对多步反应机理的确认具有重要意义,常见的电化学谱学方法包括紫外可见光谱,红外光谱,拉曼光谱等.相较于紫外可见光谱,红外光谱和拉曼光谱的检测灵敏度更高,而拉曼光谱相比红外光谱,在检测时不会受到水的影响,适用于原位研究有水参与的电化学反应;同时无需特殊制样就可以对反应过程进行原位研究,实现对不同电极材料和催化剂材料的无损分析.表面增强拉曼光谱则是利用纳米结构表面产生的局域表面等离子体共振效应(L o c a l i z e dS u r f a c eP l a s m o nR e s o n a n c e,L S P R)来增强拉曼光谱信号的一种技术.在上世纪七十年代,表面增强拉曼散射效应(S u r f a c