Quantifying Surface Chemical Intermediates and Interfacial Redox Processes via Combined Raman Spectroscopy and Scanning Electrochemical Microscopy

通过拉曼光谱和扫描电化学显微镜相结合量化表面化学中间体和界面氧化还原过程

基本信息

项目摘要

Chemical reactions at electrode surfaces are essential for a large number of applications, which range from powering fuel cells to cleaning water. In addition, understanding the intimate details of those reactions is crucial to bolster renewable energy technologies. Unfortunately, all these important reactions at electrodes also display a broad range of complicated chemical reaction pathways that happen at a very small region close to the surface of the electrodes. This makes it very difficult to observe and understand how these reactions happen at the atomic level, which is key to improving them. Professor Rodriguez-Lopez addresses this pressing challenge by introducing a measurement technique where laser light, in combination with very small probes in a particular arrangement, are used to identify the chemicals formed at the surface of electrodes, while also identifying the reactions in which they participate. By carefully choosing some key electrode materials, Rodriguez-Lopez improves the ability to measure very small amounts of chemicals that speed up the product formation. The methods help understand how a promising catalyst for a fuel cell can lose activity, and how oxygen atoms at metals participate in key processes for energy technologies. The research plan benefits society by including hands-on activities for Hispanic children in the community. Advances electrochemical science is also taught to a diverse group of students to ensure a workforce with training at the forefront of science. With this award, the Division of Chemistry is funding Dr. Joaquin Rodriguez-Lopez at the University of Illinois to study development of a hybrid microscopy system for examination of chemical reactions at electrode surfaces. Exploring the mechanisms of interfacial electrocatalytic processes is challenging, however knowledge about reactive intermediate identity, surface coverage, and reactivity, is critical in understanding in situ approaches. Dr. Rodriguez-Lopez investigates a simultaneous, spatiotemporally matched approach for the in situ quantification of reactive intermediates at electrochemical interfaces through integration of scanning electrochemical microscopy with Raman spectroscopy. The research may improve the spatial resolution of the technique by using micro and nanoelectrodes of different sizes. Rodriguez-Lopez aims to help solve long-standing challenges in electrocatalysis by correlating electrode reactivity to surface properties of materials in fuel cells, electrolyzers, and batteries, as well as in systems for water remediation, electrosynthesis, and corrosion prevention. The project integrates educational and outreach plans that engage students of Hispanic origin in scientific activities, as well as the organization of an electrochemical bootcamp that helps ensure the presence of a diverse workforce at the forefront of electrochemical and measurement science.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
电极表面的化学反应对于大量应用至关重要,范围从供电燃料电池到清洁水。此外,了解这些反应的亲密细节对于支持可再生能源技术至关重要。不幸的是,电极上的所有重要反应还显示出广泛的复杂化学反应途径,这些途径发生在非常小的区域,靠近电极表面。这使得很难观察和理解这些反应是如何在原子水平上发生的,这是改善它们的关键。罗德里格斯·洛佩兹(Rodriguez-Lopez)教授通过引入一种测量技术来应对这一压力挑战,其中激光光与特定布置中的非常小的探针结合在一起,用于识别电极表面形成的化学物质,同时还可以确定它们参与的反应。通过仔细选择一些关键的电极材料,Rodriguez-Lopez提高了测量速度加快产物形成的非常少量的化学物质的能力。这些方法有助于了解燃料电池的有希望的催化剂如何失去活性,以及​​金属的氧原子如何参与能量技术的关键过程。研究计划通过在社区中为西班牙裔儿童提供动手活动,从而使社会受益。 还向一群多元化的学生讲授了进步电化学科学,以确保劳动力在科学的最前沿进行培训。通过该奖项,化学部正在为伊利诺伊大学的Joaquin Rodriguez-Lopez博士提供资金,以研究用于检查电极表面化学反应的混合显微镜系统的开发。探索界面电催化过程的机制是有挑战性的,但是关于反应性中间身份,表面覆盖和反应性的知识对于理解原位方法至关重要。 Rodriguez-Lopez博士通过将扫描电化学显微镜与Raman Spectroscopicy整合到电化学接口处的反应性中间体进行原位定量,研究了一种同时匹配的时空匹配的方法。这项研究可以通过使用不同尺寸的微电极和纳米电极来改善技术的空间分辨率。 Rodriguez-Lopez的目的是通过将电极反应性与燃料电池,电解器和电池中材料的表面特性以及用于水补救,电气合成和预防水的系统相关联,来帮助解决电催化的长期挑战。该项目整合了教育和外展计划,这些计划使西班牙裔学生参与科学活动,以及组织的电化学训练营的组织,该训练营有助于确保在电化学和测量科学的最前沿,这反映了NSF的法定任务并被认为是通过基金会的知识分子优点和更广泛的影响审查标准来评估值得支持的。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Surface-Enhanced Raman Spectroscopy-Scanning Electrochemical Microscopy: Observation of Real-Time Surface pH Perturbations
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.1c00888
  • 发表时间:
    2021-05-27
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Hatfield, Kendrich O.;Gole, Matthew T.;Rodriguez-Lopez, Joaquin
  • 通讯作者:
    Rodriguez-Lopez, Joaquin
Inducing SERS activity at graphitic carbon using graphene-covered Ag nanoparticle substrates: Spectroelectrochemical analysis of a redox-active adsorbed anthraquinone
使用石墨烯覆盖的银纳米颗粒基底诱导石墨碳的 SERS 活性:氧化还原活性吸附蒽醌的光谱电化学分析
  • DOI:
    10.1063/5.0130876
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Hatfield, Kendrich O.;Putnam, Seth T.;Rodríguez-López, Joaquín
  • 通讯作者:
    Rodríguez-López, Joaquín
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