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文庫(kù)百科精品干貨：原位紅外光譜在電催化反應(yīng)中的應(yīng)用
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1. 紅外光譜基本概念
1.1 扣背景和光波譜區(qū)
紅外光譜是分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，產(chǎn)生紅外吸收的條件是分子在振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)伴隨著偶極矩的變化。采用傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared , FTIRs）光譜儀測(cè)試樣品的紅外光譜時(shí)，使用的紅外光源是連續(xù)波長(zhǎng)的光源。當(dāng)光源照射樣品后，樣品中的分子會(huì)吸收某些波長(zhǎng)的紅外光。沒(méi)有被吸收的光到達(dá)檢測(cè)器，檢測(cè)器將檢測(cè)到的光信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)傅里葉變換，即可以得到樣品的單光束光譜。
為了得到樣品的紅外光譜，需要從樣品的單光束光譜中扣除背景的單光束光譜，也就是需要測(cè)試紅外光在不經(jīng)過(guò)樣品的情況下得到的背景單光束光譜。這樣得到的背景單光束光譜包括了儀器內(nèi)部各種零部件和空氣的信息，可以通過(guò)測(cè)試空白樣品得到。從樣品的單光束光譜中扣除掉背景單光束光譜就可以得到樣品的紅外透射光譜。圖1為不同光波的波長(zhǎng)關(guān)系，可以看出紅外光可以分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三個(gè)波譜區(qū)。它們之間沒(méi)有嚴(yán)格的界線，另外，氣體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜、氧化物的光譜主要集中在遠(yuǎn)紅外區(qū)和中紅外區(qū)的低頻區(qū)。
圖1 光波譜區(qū)圖
1.2 紅外光譜橫縱坐標(biāo)
深刻理解紅外光譜橫縱坐標(biāo)所代表的物理意義對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理、分析以及作圖有著重要的指導(dǎo)作用。橫坐標(biāo)通常采用波數(shù)（cm-1）來(lái)表示，也可以采用波長(zhǎng)（nm）表示。波數(shù)與波長(zhǎng)是倒數(shù)關(guān)系且乘積是常數(shù)即波長(zhǎng)（μm）×波數(shù)（cm-1）=10000。縱坐標(biāo)有兩種表示方式，即透過(guò)率（Transmittance）和吸光度（Absorbance）?？v坐標(biāo)采用透過(guò)率表示時(shí)稱(chēng)為透過(guò)率光譜，采用吸光度表示時(shí)稱(chēng)為吸光度光譜。
紅外光譜中有兩個(gè)與波數(shù)有關(guān)的概念即紅移（Red shift）和藍(lán)移（Blue shift）。紅移是指吸收峰向低頻（波數(shù)）方向移動(dòng)；藍(lán)移是指吸收峰向高頻（波數(shù)）移動(dòng)。紅外吸收峰位置發(fā)生紅移或者藍(lán)移表示吸收分子中對(duì)應(yīng)的化學(xué)鍵振動(dòng)頻率發(fā)生改變，進(jìn)而得出電極表面吸附物種的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。
1.3 CO2和H2O的振動(dòng)模式
同一分子中可能存在不同的吸收基團(tuán)，因而具有不同的紅外振動(dòng)模式，相同的基團(tuán)也會(huì)存在不同的振動(dòng)模式。中紅外區(qū)基團(tuán)的振動(dòng)模式分為兩大類(lèi)，即伸縮振動(dòng)（Stretching vibration）和彎曲振動(dòng)（Bending vibration）。伸縮振動(dòng)是指基團(tuán)中的原子沿著原來(lái)的價(jià)鍵來(lái)回振動(dòng)；彎曲振動(dòng)是指基團(tuán)中的原子在垂直于價(jià)鍵的方向上運(yùn)動(dòng)，一般出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)。根據(jù)振動(dòng)方向不同，伸縮振動(dòng)又可以分為對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（symmetrical stretching vibration）和反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)（antisymmetrical stretching vibration）。圖2是CO2和H2O分子典型的振動(dòng)模式。
圖2 CO2和H2O的振動(dòng)模式
1.4 合（組）頻峰
合頻峰是由兩個(gè)基頻相加得到，它出現(xiàn)在兩個(gè)基頻之和附近；差頻峰是由兩個(gè)基頻相減得到，出現(xiàn)在兩個(gè)基頻之差附近。以H2O分子為例，它在中紅外和近紅外光譜中出現(xiàn)兩個(gè)合頻峰：3420 cm-1（OH伸縮振動(dòng)）+1640 cm-1（H2O變角振動(dòng)）=5060 cm-1 （合頻峰），1640 cm-1（H2O變角振動(dòng)）+550 cm-1（H2O擺動(dòng)振動(dòng)）=2070 cm-1（合頻峰）。圖3是不同溫度下純水的紅外光譜，在5060 cm-1位置處有H2O分子的合頻吸收峰。
圖3 不同溫度下純水分子的吸收峰
1.5 氫鍵的影響
二氧化碳還原反應(yīng)（Carbon dioxide reduction reaction, CO2RR）、氧氣析出反應(yīng)（Oxygen reduction reaction, OER）和氮?dú)膺€原反應(yīng)（Nitrogen reduction reaction, NRR）等都是在水系電解液中進(jìn)行測(cè)試的，窗片與催化劑涂層之間的微量H2O會(huì)對(duì)紅外光有較強(qiáng)的吸收。因此，到達(dá)催化劑表面的紅外光強(qiáng)度降低，造成中間體檢測(cè)非常困難。在測(cè)試過(guò)程中，我們經(jīng)常觀測(cè)到H2O的彎曲振動(dòng)（～1640 cm-1）和伸縮振動(dòng)峰（～3500 cm-1）峰非常顯著，掩蓋了中間體微弱的紅外吸收峰。因此，準(zhǔn)確識(shí)別H2O分子的紅外吸收峰對(duì)分析中間體的化學(xué)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。圖4和圖5分別是氣態(tài)和液態(tài)H2O分子的不同振動(dòng)模式以及對(duì)應(yīng)的峰位置。
圖 4 氣態(tài)H2O的紅外光譜振動(dòng)模式
圖 5 液態(tài)H2O分子的紅外光譜振動(dòng)模式
氫鍵的化學(xué)穩(wěn)定性具有很大的差異性，能量范圍在-0.5～-40 Kcal/mol。沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的方法直接測(cè)定從弱到強(qiáng)的氫鍵能量，但是不同氫鍵的能量可以通過(guò)計(jì)算得到。Desiraju和Steiner把氫鍵大致分為“非常強(qiáng)的”（-15～-40 Kcal/mol）、“強(qiáng)的”（-4～-15 Kcal/mol）和“弱的”（0～-4 Kcal/mol）氫鍵。液態(tài)H2O分子之間會(huì)形成很強(qiáng)的氫鍵（Hydrogen bond），強(qiáng)氫鍵之間相互發(fā)生締合形成更大的分子團(tuán)簇，使體系的能量降低，導(dǎo)致H-O鍵振動(dòng)頻率降低，發(fā)生紅移。圖6是H2O分子模型和氫鍵形成過(guò)程。
圖6 H2O分子模型及氫鍵示意圖
2. 電化學(xué)原位紅外光譜
2.1 電化學(xué)原位紅外光譜四種模式
原位電化學(xué)原位紅外光譜（In-situ FTIRs）是將電化學(xué)測(cè)量方法和紅外光譜技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣-液-固三相界面處發(fā)生的催化反應(yīng)，在分子水平上獲得反應(yīng)物、目標(biāo)產(chǎn)物、電極表面成鍵、中間體等信息。這種表征技術(shù)對(duì)研究電催化反應(yīng)機(jī)理、調(diào)控催化劑電子結(jié)構(gòu)和驗(yàn)證新的表面成鍵模式有著重要意義。In-situ FTIRs根據(jù)入射模式不同將紅外光譜分為透射模式（Transmission mode）和反射模式（Reflection mode），反射模式又可以分為外反射模式和內(nèi)反射模式，內(nèi)反射模式進(jìn)一步分為Kretschmann模式和Oto模式。Kretschmann模式是將催化劑直接化學(xué)鍍到窗片上，入射光在催化劑-窗片界面處發(fā)生全反射，比如直接將銅催化劑電鍍到石英晶體上；Oto模式是具有高折射率的窗片和催化劑之間存在狹縫，狹縫的寬度非常小，大約幾十到幾百個(gè)納米，使用起來(lái)不方便，很少使用。透射模式如圖7（a）所示；外反射模式如圖7（b）所示，兩種內(nèi)反射模式示意圖如圖7（c/d）所示。
圖7 原位紅外光譜的四種模式
2.2 測(cè)試電解池
絕大多數(shù)固體電極不透紅外光，有吸收，因此原位的電化學(xué)紅外光譜大多數(shù)情況下采用反射模式。采用外反射模式可以檢測(cè)電極表面吸附物種的性質(zhì)，取向和成鍵方式，所采用的電解池是薄層電解池，如圖8（a）所示。兩種內(nèi)反射模式所采用的電解池為ATR（Attenuated total reflectance，衰減全反射）電解池，如圖8（b）所示。
圖8 原位紅外光譜電解池
ATR附件可以分為四類(lèi)：水平ATR、可變角ATR、圓形池ATR和單次反射ATR。前三類(lèi)都屬于多次內(nèi)反射ATR，最后一個(gè)屬于一次內(nèi)反射ATR。這四類(lèi)ATR附件的工作原理都是相同的。ATR的工作原理如圖9所示。當(dāng)一束單色光以入射角α從空氣射向一塊透光材料的晶體表面時(shí)，其中一部分光會(huì)發(fā)生反射（反射角β等于入射角α），另一部分光會(huì)發(fā)生折射，如圖9（a）所示。因?yàn)榭諝馀c晶體材料相比，空氣是光疏介質(zhì)，晶體是光密介質(zhì)，所以，入射角α大于折射角γ。
相反，如果一束光以入射角α1從晶體里面射向晶體內(nèi)表面時(shí)，其中一部分光會(huì)在晶體內(nèi)發(fā)生反射，而另一部分光向空氣中折射，如圖9（b）所示。因?yàn)榫w的折射率大于空氣的折射率，所以入射角α1小于β1。隨著入射角α1的增加，折射角γ1也隨著增加。當(dāng)入射角α1增加到一定角度α2時(shí)，折射角γ2將等于90°，這時(shí)折射光將沿著晶體界面?zhèn)鞑?，如圖9（c）所示。當(dāng)折射角等于90°時(shí)的入射角成為臨界角。當(dāng)入射角α3大于α2時(shí)，如圖9（d）所示，即入射角大于臨界角時(shí)，入射光全部被反射。ATR附件就是利用這種光的全反射原理工作的。（本部分來(lái)源于參考文獻(xiàn)1）
圖 9 單色光反射、折射和全反射示意圖
不同的原位紅外光譜電解池在電勢(shì)響應(yīng)速率，傳質(zhì)速率和電流分布密度以及對(duì)中間產(chǎn)物的敏感性不同，因此在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)該根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)使用合適的電解池，目前得到的原位紅外光譜大多數(shù)使用的是ATR電解池。盡管紅外光在金屬薄膜和窗片之間發(fā)生全反射，但紅外光的隱失波仍可通過(guò)金屬薄膜到達(dá)溶液界面并呈指數(shù)衰減，ATR電解池是依靠電極表面產(chǎn)生的隱失波（Evanescent wave）來(lái)檢測(cè)表面物種的紅外信號(hào)。隱失波是紅外光在晶體外表面上產(chǎn)生的一種駐波，可以理解為是紅外光在晶體表面上光波垂直于電極表面的一種分量，如圖10所示。
圖10 隱失波
2.3 原位紅外光譜測(cè)試方法
電解液：0.1 M KHCO3
工作電極：工作電極可以分為以下三類(lèi)，如圖11所示：金屬銅片、貴金屬電極和玻碳電極，采用這些金屬作為工作電極不僅是因?yàn)樗鼈兌际莾?yōu)良的電子導(dǎo)體，而且能夠在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生表面增強(qiáng)信號(hào)。
圖11 常見(jiàn)的工作電極
參比電極：銀氯化銀參比電極（飽和氯化鉀溶液）
對(duì)電極：鉑片電極
電化學(xué)工作站
傅里葉變換紅外光譜儀
檢測(cè)器：采用Hg-Cd-Te （Mercury cadmium telluride MCT）半導(dǎo)體材料薄膜檢測(cè)器，又稱(chēng)光電導(dǎo)檢測(cè)器。
測(cè)試方法：恒電位測(cè)試，實(shí)時(shí)記錄傅里葉變換紅外光譜。測(cè)試電位從開(kāi)路電位(OCP)到?1.2 V vs. RHE，測(cè)試時(shí)間為80 s，間隔0.1 V采集一次紅外光譜。
注意事項(xiàng)：過(guò)電勢(shì)較小時(shí)，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較慢，產(chǎn)生的氣體較少，測(cè)試效果更佳，有利于研究催化劑結(jié)構(gòu)的變化，隨著過(guò)電勢(shì)增加，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)加快，產(chǎn)生氣體較多，對(duì)紅外光有一定的散射，測(cè)試效果變差。另外，產(chǎn)生的氣體會(huì)使催化劑從電極表面脫落，無(wú)法繼續(xù)測(cè)試，這可以通過(guò)增加催化劑漿液負(fù)載量或者提高電極漿液的粘度來(lái)解決，但負(fù)載量不是越多越好，不同材料具有不同的最佳負(fù)載量，測(cè)試裝置如圖12所示。
圖12 原位紅外測(cè)試裝置
2.4 原位紅外光譜的采集
單次電勢(shì)改變法，在采集原位紅外光譜時(shí)，首先在參考電勢(shì)ER下采集n次干涉圖，然后一次性的階躍到研究電勢(shì)ES下，同樣采集n次干涉圖。經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到ER和ES下的單光束光譜R(ER)和R(ES)，最終光譜為ER和ES下得到的電勢(shì)差譜，由下面公式計(jì)算得出。A代表吸光度，這種方法通常用于研究在ER和ES下發(fā)生不可逆變化和反應(yīng)的體系。
3. In-situ FTIRs在CO2RR中的應(yīng)用
研究表明*CO是形成多碳產(chǎn)物如C2H4、C2H5OH等必不可少的中間體之一，銅基電催化劑因?qū)?CO具有較為溫和的吸附能受到了研究人員的廣泛關(guān)注。盡管銅基催化劑能夠有效的催化CO2轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)物，但是CO2RR是一個(gè)涉及到多個(gè)電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過(guò)程，電極表面產(chǎn)生的中間體瞬息萬(wàn)變且不易觀測(cè)，這對(duì)進(jìn)一步研究催化過(guò)程的機(jī)理帶來(lái)了很大的困難。采用原位電化學(xué)紅外光譜技術(shù)（In-situ FTIR）可以對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有助于理解銅基催化劑表面CO2RR的真實(shí)反應(yīng)過(guò)程，對(duì)催化劑形貌、表面組成、反應(yīng)機(jī)理都有非常重要的作用。目前，In-situ FTIR在CO2RR已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展，主要集中在以下三個(gè)方面：（1）中間體*CO表面覆蓋度的檢測(cè)，（2）電極表面新物種探測(cè)，（3）電極表面pH分析。
3.1 *CO表面覆蓋度
Cu-PANI電極表面H2O分子中的O-H鍵反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰比Cu電極表面的振動(dòng)峰顯著降低，表明Cu-PANI電極表面的聚苯胺抑制了H2O分子的吸附，降低了析氫反應(yīng)（HER），進(jìn)而提高了多碳產(chǎn)物的法拉第效率。同時(shí)中間體*CO的吸收峰在Cu-PANI電極表面更強(qiáng)，表明*CO的表面覆蓋度更高，促進(jìn)*CO-*CO偶聯(lián)形成多碳產(chǎn)物。
圖13 Cu/Cu-PANI電極上原位紅外光譜
同樣如此，Cu@NxC表面H2O的反對(duì)稱(chēng)伸縮峰比Cu顯著降低，表明在Cu@NxC表面H2O不易吸附，進(jìn)而降低HER，同時(shí)*CO的吸收峰顯著增強(qiáng)，表明NxC層能夠穩(wěn)定*CO中間體，增強(qiáng)*CO在Cu@NxC表面的覆蓋度，促進(jìn)C-C偶聯(lián)過(guò)程。
圖14 Cu/Cu@NxC催化劑形貌及紅外光譜
3.2 中間體鑒別
原位ATR-FTIRs技術(shù)檢測(cè)到CO2RR過(guò)程中至關(guān)重要的中間體*CHO，對(duì)作者提出*CHO-*CHO偶聯(lián)機(jī)理提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。
圖15 氟摻雜銅電極表面原位紅外光譜
3.3 電極表面pH
在0.1 M KHCO3電解液中測(cè)試原位紅外光譜時(shí)可以根據(jù)電極表面上吸附的HCO3-和CO32-的比例來(lái)確定電極表面pH的大小。
圖16 銅表面原位紅外光譜
4. 常見(jiàn)紅外吸收峰
總 結(jié)：
電化學(xué)原位傅里葉變換紅外光譜（In-situ FTIRs）技術(shù)將電化學(xué)測(cè)量方法和傅里葉變換紅外光譜結(jié)合起來(lái)，從分子水平在線監(jiān)測(cè)電極表面中間體的吸脫附行為、電極自身結(jié)構(gòu)的演化和電極表面微環(huán)境等，對(duì)于合理的設(shè)計(jì)催化劑結(jié)構(gòu)、探究新的反應(yīng)機(jī)理和電極表面微環(huán)境有著重要的意義。雖然In-situ FTIRs在研究電極表界面處發(fā)生的催化反應(yīng)有著諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中也會(huì)遇到?jīng)]有任何中間體的吸收峰、H2O的紅外吸收峰很強(qiáng)和吸收峰位置發(fā)生紅移或者藍(lán)移等問(wèn)題，因此需要認(rèn)真排查儀器和環(huán)境因素、根據(jù)實(shí)際體系改善具體測(cè)試方法，方可得到客觀精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
本文只針對(duì)原位紅外光譜在電催化二氧化碳還原領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，紅外光譜由于對(duì)振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)伴隨著偶極矩變化的官能團(tuán)具有靈敏的檢測(cè)能力，在電化學(xué)其他領(lǐng)域也得到了的廣泛應(yīng)用。比如在可充二次電池領(lǐng)域，有機(jī)電極材料如醌類(lèi)的電化學(xué)活性官能團(tuán)羰基通常具有較高的紅外吸收峰，可以采用原位紅外光譜表征羰基和烯醇式結(jié)構(gòu)在充放電過(guò)程中的可逆轉(zhuǎn)變。除紅外光譜之外，拉曼光譜技術(shù)同樣也已在電化學(xué)領(lǐng)域大展身手。拉曼光譜表征分子的電子云極化率的改變，在譜圖上與紅外有互補(bǔ)對(duì)應(yīng)的關(guān)系。
小 記
原位紅外真惟妙，檢測(cè)界面微環(huán)境。
辦法總比困難多，奇思妙想巧破解。
耐心恒心均需有，反復(fù)實(shí)驗(yàn)見(jiàn)真章。
團(tuán)隊(duì)合作是重點(diǎn)，共克艱難登頂刊。
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