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193sun.com: 陈前进课题组在新型电化学显微镜技术用于电极界面单个气泡化学测量上取得新进展

发布时间: 2020-06-10

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我校化学化工与生物工程学院特聘研究员陈前进课题组开创性地开发了扫描电化学显微镜技术,193sun.com:成功在多种催化材料表面上实现对单个气泡的化学测量与定量分析,相关工作以《Pt,Au和MoS2基底表面电化学H2气泡成核的可视化和量化分析》为题发表于《美国化学会传感》杂志,陈前进与美国犹他大学亨利·怀特(Henry White)教授为共同通讯作者,第一作者为化学化工与生物工程学院硕士生刘玉龙。

气泡现象存在于许多电化学过程,例如电催化和光电催化水分解中的氢气和氧气析出、电化学氯碱工业、以及燃料电池中的CO2气体的析出。电极上形成的气泡会增加电极/电解质界面的欧姆电阻并阻碍溶液中氧化还原物质向活性电极的传质扩散。因此针对催化剂电极表面气泡现象的基础性科学研究具有重要意义,同时也有助于电极材料与几何结构的合理设计以提高整体催化性能和效率。

针对上述问题,陈前进课题组构建一种新型的扫描电化学电池显微镜技术(scanning electrochemical cell microscopy, SECCM),并在微观尺度下对不同的模型电催化材料(多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2)表面电催化析氢反应展开了系统性研究。在这一方法中,采用机械与压电晶体运动相结合实现单通道纳米微管探针的三维空间高分辨运动和定位控制,当探针末端电解液液滴接触基底电极,可形成稳定的半圆月状纳米液滴电化学池,进而开展纳米尺度电化学测量。通过对基底工作电极的电位控制实现质子还原和H2析出。当H2浓度达到一定阈值时,纳米微管内发生气泡成核,并堵塞微管内的物质传递。

图3 多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2电极表面H2气泡成核的定量分析

通过对探针末端纳米液滴发生的H2传质的有限元模拟计算,研究者对气泡成核时的临界H2分子浓度进行了定量分析,测得在多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2材料表面H2气泡成核的临界浓度,并获得临界晶核曲率半径、晶核接触角等一系列物理化学性质。这项研究证明,该新型扫描电化学显微镜技术是一种探究微观尺度下单个体电化学成核过程的强大工具。该工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室开放基金的资金支持。

论文链接:01sbc.com

撰写:刘玉龙


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