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苯在铂和铑电报上的电化学行为的共焦显微拉曼研究

刘国坤  
【摘要】: 有机化合物分子与过渡金属间的相互作用一直是表面科学研究的热点之一。随着人们对生活质量的不断追求,有机化合物对环境的污染越来为人们所重视。芳环类分子一直是各种表面技术研究过渡金属的吸附和反应体系的代表分子。苯作为最简单的芳香族分子成为人们研究有机芳环化合物分子与过渡金属间的相互作用的扣门砖。铂、铑作为重要的过渡金属,同钌、钯、锇、铱等统称为铂族元素,每年都有大量的文献报道它们及其配合物对有机分子的催化作用。苯在铂、铑单晶及光滑表面上的吸附、氧化和还原行为的谱学以及电化学研究己屡见不鲜,但是对于具有实际意义的粗糙表面上的研究开展的却很少,主要是许多谱学技术都要求光滑规整的表面。 自1974年M.Fleischmann发现表面增强拉曼散射(SERS)现象以来,SERS技术山于高表面检测灵敏度以及易于获得全波段的振动光谱等优点,为人们从分子水平认识分子在金属界面行为提供了丰富的信息。但由于过渡金属的低SERS活性,迄今为止,用表面增强拉曼光谱技术研究苯在铂、铑金属表面的吸附行为的例子不多。表面增强拉曼光谱(SERS)在近三十年的飞速发展,特别是田中群小组在各种粗糙化的过渡金属上获得多种分子的表面增强拉曼信号,为研究过渡金属的催化作用打开了新的局面。 我们采用成熟的电极处理方法和共焦显微系统有效地抑制了溶液的干扰,使得具有较小拉曼散射截面的苯分子在铂、铑电极上的SERS研究成为可能。利用拉曼仪自带的监测器,我们清晰观察到了电极表面进行的反应。本论文主要探讨了苯在金属铂、铑表面的电化学行为的共焦显微拉曼研究,其目的在于,从微观的分子水平尝试进一步了解苯在铂族金属表面的电化学行为。 本论文主要系统地研究了如下三个方面: 1)、利用共焦显微拉曼系统的三维空间分辨率,比较系统的研究了苯在铂、铑电极上的电化学还原行为。研究结果表明,当电位负移至一定时,苯在铂、铑电极上都可以还原为还己烷,形成液滴附于电极表面;在所研究的电位区间内,苯在这两种金属上的还原并不彻底,溶液中始终有苯的信号。在光滑电极体系中,只有在析氢区产生的高活性的氢自由基的协同作用下,苯才可能发生电化学加氢还原;而在粗糙电极 中文提要 苯在铂和锗电极上电化学行为的共焦显微拉曼研究 体系中,只需较低活性的吸附氢的作用下,苯就可以发生加氢还原。粗糙电极对苯的 电催化加氢还原作用高于光滑电极,金属锗则强于铂;此外电极的粗糙度、溶液的酸 度都会影响苯在电极上的起始还原电位。 2)、利用共焦显微拉曼系统的三维空间分辨率,比较系统的研究了苯在铂、锗电 极上的电化学取代行为。研究结果表明,当电位正移至一定时,苯在铂、锗电极上都 可以与溶液中的氯、滨离子发生取代反应生成多种取代苯,形成液滴附于电极表面; 苯和氯、滨离子的相对浓度可以影响反应的复杂程度;激光光照严重影响苯的电化学 澳代反应,使得原本具有一定可逆性的该反应不可逆。粗糙电极的催化活性强于光滑 电极,金属锗对苯的电催化取代作用弱于铂。电化学卤代的可能原因是,电位正移至 强氧化区时,氯、滇离于被氧化成高活性的自由基,在铂、锗电极的催化下与吸附的 苯发生取代反应。 3)、在析氢电位之前和氧化电位之后的电位区间,利用共焦显微拉曼光谱仪可以 检测到苯在粗糙铂、锗电极上的吸附信号。研究结果表明,苯在铂、锗电极上的拉曼 光谱谱图差别很大,这说明,苯在两电极上的吸附行为有很大的区别。苯在铂电极上 的吸附可能有两种吸附位,其中一种吸附位上的苯与基底的作用较强,相应的P卜C 键振动频率较高;另一种则较弱,Pt-C键振动频率较低。苯在锗电极上吸附后的拉曼 谱图与本体谱有着巨大差异,表明苯在锗电极上的吸附导致了苯环的严重变形,我们 推测苯环可能垂直吸附于电极表面,形成类似于1)环己二烯的结构。特性吸附离子 的存在可以影响苯在铂、锗电极上的吸附,使得其化学吸附行为削弱,但该种离于的 存在,同时诱导了苯在这两种金属上的共吸附。


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