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

DOI:10.1038/s41560-018-0292-z 期刊:Nature Energy 出版年份:2018 更新时间:2025-09-10 09:29:36
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.
作者: Jin-Chao Dong,Xia-Guang Zhang,Zhi-Lin Yang,De-Yin Wu,Jian-Feng Li,Valentín Briega-Martos,Xi Jin,Ji Yang,Shu Chen,Juan Miguel Feliu,Christopher T. Williams,Zhong-Qun Tian
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To elucidate the oxygen reduction reaction (ORR) mechanism at Pt(hkl) surfaces using in situ electrochemical surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and density functional theory (DFT) calculation techniques.

The in situ EC-SHINERS method was successfully employed to investigate the ORR process at Pt(hkl) single-crystal surfaces, providing direct spectral evidence of OH*, HO2*, and O2? intermediates. The study revealed that the protonation process noticeably affects the ORR activity and its mechanism, with different intermediates stable at different Pt(hkl) surfaces under acidic and alkaline conditions.

The intermediates have a short lifetime and are difficult to detect, requiring large concentrations for spectroscopic observation. The reaction intermediates are not observed in the kinetic region, indicating the need for more experimental evidence and theoretical calculations.

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