In situ exploration of oxygen electrocatalysis using core-shell nanostructure-enhanced Raman spectroscopy

拉曼光谱 电催化剂 纳米结构 原位 材料科学 氧气 光谱学 壳体(结构) 纳米技术 化学工程 化学 电化学 电极 物理 物理化学 光学 复合材料 工程类 有机化学 量子力学
作者
Zhengxin Qian,Ji‐Shuang Zeng,Sen Zhao,Qing‐Na Zheng,Jing‐Hua Tian,Qingchi Xu,Hua Zhang,Jianfeng Li
出处
期刊:Nano materials science [Elsevier BV]
被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.nanoms.2024.03.006
摘要

Advancements in fuel cells and water electrolyzers have significantly bolstered the utilization of hydrogen energy. Notably, the oxidation and reduction processes of oxygen at the electrode—termed oxygen evolution reaction (OER) and oxygen reduction reaction (ORR)—manifest sluggish reaction kinetics, thus requiring noble metals as catalysts, which considerably impedes system efficiency and cost. The imperative for enhancing reaction rates and diminishing overpotential necessitates the development of effective catalysts, which strongly depends on the mechanistic understanding of these reactions at the molecular level. Therefore, this review summarizes our recent efforts in utilizing in situ enhanced Raman spectroscopy, especially the borrowing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) strategy, shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy (SHINERS), and the SHINERS-satellite strategy, to capture oxygen intermediate species as a bridge to investigate the molecular mechanisms of OER and ORR. Combining in situ SERS with other characterization techniques and theoretical simulation, the structural evolution of active sites and intermediates, including ∗OOH, ∗OH, ∗OO, etc., during OER/ORR has been monitored under reaction conditions, and the reaction mechanisms together with structure-activity correlations have been identified at the molecular level. These findings may provide a pivotal scientific foundation towards the discovery of better materials for electrochemical hydrogen energy.
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