近日，东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料器件工程实验室张袁健教授课题组报道了快速、准确和全面评估燃料电池电催化剂的新方法，相关成果以“Elucidating Electrocatalytic Oxygen Reduction Kinetics via Intermediates by Time-Dependent Electrochemiluminescence”为题在化学领域国际权威学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.以Hot Paper形式在线发表。
氧还原反应是一种重要的能量转换电化学反应，开发高效、稳定和经济的氧还原电催化剂一直是碳达峰与碳中和科学研究的热点和难点之一。这其中，如何快速、准确和全面地评估电催化剂是一个关键科学问题，对于燃料电池的开发和电化学工业制备过氧化氢至关重要。尽管膜电极、旋转电极技术和表面增强光谱等方法在氧还原动力学的研究中取得了巨大成功，然而在电化学催化剂扩散层中，活性氧中间产物的时间和空间分布仍然未知，使得氧还原机理认识缺失，严重阻碍了高性能和高稳定氧还原电催化剂的发展，究其原因是微量和短寿命的活性氧中间产物在定量检测方面仍存在挑战。
东南大学张袁健教授课题组提出通过活性氧中间产物的生成来建立反应速率方程，使用超高灵敏的时间依赖电化学发光检测技术对碱性介质中的电催化氧还原进行了动力学评估，发现利用电化学发光强度可对氧还原电催化剂的性能进行快速分类。更为重要的是，由于活性氧中间产物和电化学发光试剂之间存在超高灵敏的定量化学反应，通过对电化学发光的衰减曲线进行分析，不仅得到了氧还原表观速率常数，还首次成功获得了活性氧中间产物在不同电位下的时间和空间分布等动力学信息。根据燃料电池和电化学合成过氧化氢对电化学氧还原催化剂的不同需求，这些全新的动力学信息有望指导高活性和高稳定电催化剂的设计和合成，从而助力推动实现碳达峰与碳中和的目标。本工作的第一、第二作者分别为东南大学化学化工学院博士生吴开庆和青年教师陈然副教授，通讯作者为张袁健教授，东南大学为该工作的唯一完成单位，该工作得到了国家自然科学基金的资助。
活性氧中间产物的时间和空间分布图（图片来自Angew.Chem.Int.Ed.）
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202217078
供稿：化学化工学院