【摘要】 深度解析原位红外光谱在电催化CO₂还原中的核心作用，对比IRAS与ATR-SEIRAS技术优势，揭示反应中间体检测关键技术突破，助力催化剂活性与稳定性提升研究。

前沿技术发展历程

自20世纪80年代Hori开创电化学还原二氧化碳研究以来，该领域已实现重大进展。通过纳米结构电极与密度泛函理论（DFT）计算的应用，催化剂的选择性与活性显著提升。但受限于CO₂复杂的反应机理与溶液化学特性，理论研究与实验结果仍存在差异，而原位红外光谱技术正成为破解这一难题的关键钥匙。

电催化还原CO₂原位红外光谱实验装置，展示电极与光谱联用技术

图1. 在电极-电解液界面的红外实验中最常用的两种几何形状。A)外部反射b)内部反射。[1]

 

核心技术对比：IRAS与ATR-SEIRAS

1.​红外反射吸收光谱（IRAS）​

1980年Bewick团队首次实现金属电解液界面的外反射光谱检测，支持单晶电极研究（图2）。

红外反射吸收光谱技术检测催化剂表面反应过程示意图

图2. 图2:不同几何形状下入射光束和反射辐射的s和p分量示意图:IRAS (a)和ATR (b)。(b)中的平行水平线表明电场强度随着距离表面的增加而减小;高反射面(c)和中等反射面(d)界面处电场强度与入射角的关系;e)在ATR-SEIRAS中，吸附在Si上的薄膜金电极上的硫酸盐的吸光度强度与入射角的关系。[1]

 

​2.衰减全反射增强技术（ATR-SEIRAS）​

1990年大泽明团队突破性整合金属薄膜沉积与表面增强效应，灵敏度提升10-100倍，可实时监测反应中间体动态。

 

核心应用价值

  • ​机理解析：实时捕获甲酸、CO等关键中间体​（数据来源：Kas团队2019年研究）
  • ​性能优化：揭示催化剂活性位点与稳定性关系
  • ​技术突破：突破传统薄层配置限制，时间分辨率达毫秒级

 

技术挑战与解决方案

挑战

创新对策

低波数检测受限

开发宽波段红外光源

溶剂干扰严重

采用差分光谱技术

表面物种浓度低

结合表面增强效应（SEIRA）

 

未来发展方向

1.开发时间分辨原位红外联用系统​（目标：微秒级检测）

2.构建机器学习辅助光谱解析平台

3.拓展在铜基催化剂产烃反应中的监测应用

 

参考文献：[1] R. Kas, O. Ayemoba, N. J. Firet, J. Middelkoop, W. A. Smith, A. Cuesta, ChemPhysChem 2019, 20, 2904.

 

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