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近日，東南大學化學化工學院、江蘇省富碳材料器件工程實驗室張袁健教授課題組報道了快速、準確和全面評估燃料電池電催化劑的新方法，相關成果以“Elucidating Electrocatalytic Oxygen Reduction Kinetics via Intermediates by Time-Dependent Electrochemiluminescence”為題在化學領域國際權威學術期刊Angew.Chem.Int.Ed.以Hot Paper形式在線發(fā)表。
氧還原反應是一種重要的能量轉(zhuǎn)換電化學反應，開發(fā)高效、穩(wěn)定和經(jīng)濟的氧還原電催化劑一直是碳達峰與碳中和科學研究的熱點和難點之一。這其中，如何快速、準確和全面地評估電催化劑是一個關鍵科學問題，對于燃料電池的開發(fā)和電化學工業(yè)制備過氧化氫至關重要。盡管膜電極、旋轉(zhuǎn)電極技術和表面增強光譜等方法在氧還原動力學的研究中取得了巨大成功，然而在電化學催化劑擴散層中，活性氧中間產(chǎn)物的時間和空間分布仍然未知，使得氧還原機理認識缺失，嚴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)物在定量檢測方面仍存在挑戰(zhàn)。
東南大學張袁健教授課題組提出通過活性氧中間產(chǎn)物的生成來建立反應速率方程，使用超高靈敏的時間依賴電化學發(fā)光檢測技術對堿性介質(zhì)中的電催化氧還原進行了動力學評估，發(fā)現(xiàn)利用電化學發(fā)光強度可對氧還原電催化劑的性能進行快速分類。更為重要的是，由于活性氧中間產(chǎn)物和電化學發(fā)光試劑之間存在超高靈敏的定量化學反應，通過對電化學發(fā)光的衰減曲線進行分析，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間和空間分布等動力學信息。根據(jù)燃料電池和電化學合成過氧化氫對電化學氧還原催化劑的不同需求，這些全新的動力學信息有望指導高活性和高穩(wěn)定電催化劑的設計和合成，從而助力推動實現(xiàn)碳達峰與碳中和的目標。本工作的第一、第二作者分別為東南大學化學化工學院博士生吳開慶和青年教師陳然副教授，通訊作者為張袁健教授，東南大學為該工作的唯一完成單位，該工作得到了國家自然科學基金的資助。
活性氧中間產(chǎn)物的時間和空間分布圖（圖片來自Angew.Chem.Int.Ed.）
