新突破！光參與的液固催化界面局域溫度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】當(dāng)今世界對(duì)于能源的需求越來越大，人類面臨傳統(tǒng)化石能源的短缺和溫室效應(yīng)等環(huán)境氣候的破壞，因此綠色環(huán)保、可持續(xù)能源發(fā)展逐漸成為人類關(guān)注的主題。發(fā)展新能源是解決現(xiàn)在困境的必由之路。催化技術(shù)是提升新能源產(chǎn)能效率的關(guān)鍵，成為世界各國正向發(fā)展的核心科技。
光催化作為一種常見且操作簡單的技術(shù)手段，能夠有效地提高化學(xué)反應(yīng)上的響應(yīng)輸出，不僅在傳感檢測方面具有提高檢出靈敏度和檢出極限的作用，更是在能源利用和環(huán)境保護(hù)方面有著強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。
揭示催化物質(zhì)在微觀表界面進(jìn)行的物理與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程與規(guī)律，是推動(dòng)先進(jìn)催化前沿基礎(chǔ)科學(xué)向能源、環(huán)境、生命等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。然而，在催化反應(yīng)往往伴隨著熱量的產(chǎn)生與釋放，嚴(yán)重干擾了催化反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)過程和平衡，如何發(fā)展原位、快速、精準(zhǔn)的催化表界面的熱測量技術(shù)和工具。
目前，催化產(chǎn)熱測量手段主要包括熒光光譜技術(shù)、表面拉曼增強(qiáng)光譜技術(shù)、熱電偶技術(shù)以及紅外成像技術(shù)等。而這些技術(shù)在進(jìn)一步提升催化熱測量的空間分辨率方面遇到瓶頸，更無法解決液-固界面催化過程中液體介質(zhì)熱量吸收導(dǎo)致的熱量快速衰減的難題。因此，迫切需要發(fā)展全新的催化熱檢測原理和方法，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、快速、原位的熱測量。
暨南大學(xué)郭團(tuán)教授團(tuán)隊(duì)與朱明山教授團(tuán)隊(duì)合作，提出一種高靈敏度光纖光梳熱測量技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了對(duì)液-固界面催化反應(yīng)產(chǎn)熱過程的納米尺度、實(shí)時(shí)、原位、精準(zhǔn)測量。他們研發(fā)了一種大角度傾斜光纖光柵，通過在光柵表面均勻納米鍍膜與精密偏振控制，獲得高靈敏、窄線寬共振光梳激發(fā)。這一細(xì)如發(fā)絲的光纖傳感器即可附著于催化材料表面、也可嵌入其內(nèi)部。
該款光線傳感器提供兩個(gè)功能，一是可作為電極提供/獲取電學(xué)信號(hào)，二是作為光學(xué)探針原位讀取其表面催化材料產(chǎn)生的熱量，獲得液-固催化界面的熱量測量精度0.1℃、空間分辨率100nm、時(shí)間分辨率為0.1秒。并且該光纖傳感器還提供了多光譜模式檢測功能，用于消除催化過程中環(huán)境溫度變化對(duì)催化界面溫度的干擾。
該研究開辟了一種全新的準(zhǔn)確測量液—固界面催化劑表面溫度的方法，建立了催化劑表面溫度與光電化學(xué)催化活性之間的有效關(guān)系。這彌補(bǔ)了液—固反應(yīng)界面溫度測量的空白，開啟了催化反應(yīng)表面溫度測量的新篇章，同時(shí)也為為揭示催化和表界面的物理與化學(xué)基本規(guī)律和開發(fā)熱監(jiān)測方式提供了方法支撐。
相關(guān)研究以《基于光纖原位監(jiān)測光電催化反應(yīng)中的納米尺度的快速溫度變化》為題發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light：Science & Application)。
(資料來源：中國科學(xué)報(bào))
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