In situ Raman spectroscopic evidence for oxygen reduction reaction intermediates at platinum single-crystal surfaces

拉曼光谱 铂金 反应中间体 原位 密度泛函理论 反应机理 光化学 化学 无机化学 氧气 氧还原反应 催化作用 计算化学 物理化学 电化学 光学 电极 有机化学 物理
作者
Jin‐Chao Dong,Xia‐Guang Zhang,Valentín Briega‐Martos,Xi Jin,Ji Yang,Shu Chen,Zhilin Yang,De‐Yin Wu,Juan M. Feliú,Christopher T. Williams,Zhong‐Qun Tian,Jian‐Feng Li
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:4 (1): 60-67 被引量:772
标识
DOI:10.1038/s41560-018-0292-z
摘要

Developing an understanding of structure–activity relationships and reaction mechanisms of catalytic processes is critical to the successful design of highly efficient catalysts. As a fundamental reaction in fuel cells, elucidation of the oxygen reduction reaction (ORR) mechanism at Pt(hkl) surfaces has remained a significant challenge for researchers. Here, we employ in situ electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and density functional theory (DFT) calculation techniques to examine the ORR process at Pt(hkl) surfaces. Direct spectroscopic evidence for ORR intermediates indicates that, under acidic conditions, the pathway of ORR at Pt(111) occurs through the formation of HO2*, whereas at Pt(110) and Pt(100) it occurs via the generation of OH*. However, we propose that the pathway of the ORR under alkaline conditions at Pt(hkl) surfaces mainly occurs through the formation of O2−. Notably, these results demonstrate that the SERS technique offers an effective and reliable way for real-time investigation of catalytic processes at atomically flat surfaces not normally amenable to study with Raman spectroscopy. The oxygen reduction reaction, catalysed by platinum, is a crucial process in the operation of fuel cells, but the mechanistic pathways through which it occurs remain a matter for debate. Here, the authors use in situ Raman spectroscopy to identify key intermediates for this reaction at different atomically flat platinum surfaces, shedding light on the mechanism.
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