暂态电化学表面增强拉曼光谱技术及其在表面动态过程研究中的应用

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电化学反应过程及其动力学是一个复杂的研究体系,涉及到反应物、产物以及低浓度、短寿命中间产物的识别和检测。时间和空间分辨率是界面电化学反应过程的研究技术的核心。SERS技术具有高时间分辨、高空间分辨、高能量分辨、高灵敏度、界面选择性等优势,能提供指纹光谱特征,在物种鉴定与检测方面具有广泛的应用。高时间和空间分辨能力,赋予SERS连续监测特定区域反应过程的能力。传统的EC-SERS方法已经表明了SERS在跟踪和监测电化学反应过程方面的优势。EC-SERS方法已经在电化学界面、反应过程和机理研究中取得了大量的研究成果。但是传统的EC-SERS实验通常是先将电极阶跃至预设电位,等待电流到达稳态后再采集光谱,这是一种稳态的实验方法,时间分辨率低,难以满足快速、动态研究电化学反应过程及其动力学的要求。  本论文从提高传统EC-SERS时间分辨率角度出发,将电化学暂态技术和SERS检测结合,发展暂态电化学-表面增强拉曼光谱(TEC-SERS)实验技术,实现了电化学控制和SERS检测的同步联用,发展了循环伏安法-表面增强拉曼光谱(CV-SERS)和计时电流法-表面增强拉曼光谱(CA-SERS)实验方法,并将其应用于nile blue的电化学氧化还原过程结构变化和动力学研究以及电极表面多组分物种的分析检测。主要内容和取得的成果如下:  1.发展了TEC-SERS实验技术,建立了CV-SERS和CA-SERS实验方法,提高了传统EC-SERS方法的时间分辨率。该方法显著不同于早期时间分辨EC-SERS技术的特点在于:实现了电化学控制和SERS检测的同步联用,每一个电位记录点都能提供对应的暂态SERS光谱。  2.将CV-SERS实验方法应用于nile blue电化学氧化还原过程研究。同步的SERS光谱动态还原了电位扫描过程中电极表面nile blue的结构变化过程,比常规CV和传统EC-SERS方法提供更丰富、完整的信息。  3.将CA-SERS实验方法应用于nile blue氧化还原动力学研究。将TEC-SERS的时间分辨率提高至5 ms,CA-SERS结果表明吸附在Ag NP电极表面的nile blue的还原、氧化过程在SERS光谱上表现为延迟、动力学不对称过程,高浓度吸附的nile blue还原过程还经历SERS信号异常增强阶段,nile blue的延迟响应和异常增强可能都和其在表面的聚集状态有关。  4.将CV-SERS实验方法应用于电极表面多组分物种分析检测。从分子水平上实现区分不同物种的反应信息,提高了传统CV分析方法的定性分析能力。结合MCR方法定性拆分光谱得到独立组分的电化学反应信息,相比传统CV分析,CV-SERS具有能提供更丰富、全面、准确的物种反应信息,检测灵敏度高,抗干扰能力强等优点。
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