CN108061729B - 液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液相下表面等离激元‑激子耦合驱动电化学催化反应器件，属于电化学表面催化反应器件技术领域。该器件包括二维半导体材料、工作电极、聚四氟乙烯包覆层、导电柱、石英窗口、石英窗口包覆层、空心模型和底座，二维半导体材料放置在工作电极上，工作电极周围包裹聚四氟乙烯包覆层，然后置于空心模型中，工作电极下端连接导电柱，空心模型上部安置石英窗口，石英窗口周围包裹石英窗口包覆层。激光透过石英窗口照射在工作电极上。该器件的密封性适用于液相的测试环境；器件的材料选取和工作电极中金属柱的多样性保证本发明适用于不同电解液、不同分子、不同入射激光的具体情况。
Description
技术领域
本发明涉及电化学表面催化反应器件技术领域，特别是指一种液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件。
背景技术
当激光入射到粗糙金属表面时可以产生局域的表面等离激元共振，不仅能极大地增强拉曼信号的强度，等离激元衰退时产生的热电子还能促进表面催化反应的发生。而当粗糙金属表面与二维半导体材料复合成器件时，在合适波长的激光下能产生表面等离激元-激子耦合相互作用，并且通过调节粗糙金属表面能控制表面等离激元-激子耦合程度，从而有效的调控表面等离激元-激子耦合驱动催化反应的效率。而将门电压施加于复合体系时，如文献1(Advanced Materials Interfaces,2017；DOI:10.1002/admi.201700869)所示，通过改变门电压的大小可以调控工作电极的费米面，从而改变等离激元-激子耦合相互作用的效率。
在液相环境下进行的表面等离激元-激子耦合驱动电化学反应比在大气环境中的催化作用更适合研究表面等离激元-激子耦合相互作用的机理性问题，如文献2(DOI:10.1002/jrs.4939)所示。因为与大气环境相比，液相环境更加稳定，能够排除空气对分子的影响，保护有机分子不被环境污染，并且可以调控的参数也更多，包括选择不同的电解液等。在液相环境下可以通过三电极体系连接电化学工作站的方式，可便捷地在工作电极上施加电压，同时还可以利用电化学工作站的循环伏安法测试耦合体系上发生氧化还原反应所要克服的能量阈值。
然而，如今常见的表面等离激元-激子耦合驱动催化反应多是在大气环境中发生的，并且设备一般与特定型号的拉曼光谱仪匹配。在更换样品时，需要重新准备器件，成本较高，制备耗时久。而普通的三电极测试体系不能直接应用于拉曼光谱仪中测试，液体泄漏的危险较大，容易污染甚至腐蚀镜头。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，保证液相环境的稳定和安全性的同时监测和进行表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应，能使用各式拉曼光谱仪的同时，调控和提高表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应的效率。
该器件包括二维半导体材料、工作电极、聚四氟乙烯包覆层、导电柱、石英窗口、石英窗口包覆层、空心模型和底座，二维半导体材料覆盖在工作电极上，工作电极周围包裹聚四氟乙烯包覆层后置于空心模型中，工作电极下端连接导电柱，空心模型上部的密封窗口为石英窗口，石英窗口周围包裹石英窗口包覆层，激光透过石英窗口照射在工作电极上，空心模型置于底座上。
其中，工作电极为金、银、铜、镍中的一种，工作电极外层被聚四氟乙烯包覆。与工作电极紧密接触的导电柱只要求其材质具有较良好的导电性，一般为细铜柱。
包裹工作电极的聚四氟乙烯包覆层插入空心模型时与空心模型紧密接触，可用生料带缠绕工作电极包覆层以保证液体不泄露。
激光透过石英窗口照射在紧密接触的二维半导体材料和工作电极的复合结构上。
石英窗口包覆层上预留两个孔，分别为参比电极和对电极的预留位，石英窗口包覆层密封空心模型，可在缝隙处缠绕生料带以确保液体不会泄漏。
该器件的要求和使用步骤如下：
S1：制作聚四氟乙烯空心模型和底座，空心模型的密封盖是聚四氟乙烯包覆的圆形石英片，密封盖、空心模型和底座可以紧密接触，缝隙处可由生料带填满以确保密封性。
S2：将工作电极的聚四氟乙烯包覆层缠上生料带后插入空心模型，配以底座做支撑固定。
S3：倒入适合的电解液，并盖上密封盖。
S4：将对电极与参比电极插入密封盖上石英窗口包覆层上的预留位，确保设备在拉曼光谱仪上不会倾倒，并且设备下方不会泄漏电解液。
S5：将对电极、参比电极、工作电极分别连上电化学工作站所对应的位置，确保激光照射区域为二维半导体材料与工作电极的复合结构处。
本发明器件可用于如下测定：
(1)利用本发明中的器件测定当电势逐从0到-1.2V到0V时(步长为0.1V)，测试吸附在二维半导体材料/工作电极表面的分子发生等离激元-激子耦合驱动还原反应的拉曼光谱图，其中激光波长为 200nm～1000nm且激光强度为5uW～10mW；
(2)利用本发明中的器件测定当电势逐从0到1.2V到0V时(步长为0.1V)，测试吸附在二维半导体材料/工作电极表面的分子发生等离激元-激子耦合驱动氧化反应的拉曼光谱图，其中激光波长为200nm～1000nm且激光强度为5uW～10mW；
(3)在固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5uW ～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/工作电极表面的分子的从0V到-1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动还原反应的循环伏安曲线图；
(4)在固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5uW ～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/ 工作电极表面的分子的从0V到1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动氧化反应的循环伏安曲线图。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)在具体制作器件时，由于器件和底座的尺寸方便控制，所以可以适用于各式拉曼光谱仪，特殊结构能保证测试中不会有液体泄漏；
(2)在更换测试内容时，可以直接选择不同的工作电极或电解液，更换方便，减少了设备的制作成本。而且由于是在液相中监控和进行电化学反应，二维半导体材料和工作电极的复合体系可受到液体的保护，不容易被空气氧化或者被环境污染；
(3)该器件的结构设计简洁，可以使用电化学工作站和拉曼光谱仪自带的测试项目设置，操作方法简洁明了；
(4)在进行拉曼测试时引入了门电压的作用，可用于调查门电压对液相下表面等离激元-激子耦合驱动催化反应的影响。
此外，本器件在液相环境下监控和进行表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应的优点如下：
(1)通过控制电压发现，在工作电极上施加电压可以显著地降低反应势垒，能有效地提高表面催化反应效率；
(2)在二维半导体材料/工作电极为石墨烯和银时，通过具体实验测试结果，可以得到石墨烯在耦合体系参与氧化还原反应时的具体贡献，对于深入了解表面等离激元-激子耦合相互作用有巨大的帮助；
(3)仪器设计简洁，不会造成因仪器复杂导致的液体泄漏，因此能保护测试仪器和确保实验数据地准确性。因底座的制作简单，可以适应各种拉曼仪器的测试台。
附图说明
图1为本发明的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件的使用概念图；
图2为本发明的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件结构示意图；
图3为本发明的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件的石英窗口结构示意图；
图4为本发明的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件的空心模型结构示意图；
图5为本发明的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件的底座结构示意图；
图6为本发明实施例中在固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5uW～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/工作电极表面的分子的从0V到-1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动还原反应的循环伏安曲线图；
图7本发明实施例中利用本发明中的器件测定当电势逐从0到 1.2V到0V时(步长为0.1V)，吸附在二维半导体材料(a)/工作电极(b)表面的分子发生等离激元-激子耦合驱动氧化反应的拉曼光谱图，其中激光波长为200nm～1000nm且激光强度为5uW～10mW；
图8为本发明实施例中固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5uW～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/工作电极表面的分子的从0V到1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动氧化反应的循环伏安曲线图。
其中：1-激光；2-二维半导体材料；3-工作电极；4-聚四氟乙烯包覆层；5-导电柱；6；石英窗口；7-石英窗口包覆层；8-空心模型； 9-底座。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件。
如图2、图3、图4和图5所示，该器件包括二维半导体材料2、工作电极3、聚四氟乙烯包覆层4、导电柱5、石英窗口6、石英窗口包覆层7、空心模型8和底座9，二维半导体材料2覆盖在工作电极 3上，工作电极3周围包裹聚四氟乙烯包覆层4后置于空心模型8中，工作电极3下端连接导电柱5，空心模型8上部的密封窗口为石英窗口6，石英窗口6周围包裹石英窗口包覆层7，激光1透过石英窗口 6照射在工作电极上，空心模型8置于底座9上。
如图1所示，为本发明器件的使用概念图。
具体实施例如下：
1.液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件的制作：
1)按图纸制作工作电极包覆层、石英窗口及其包覆层、空心模型和底座，其中工作电极包覆层的内径大小要与选用的工作电极的直径相匹配，石英窗口的大小要保证激光穿过石英窗口后能照射在二维半导体材料/工作电极复合结构上，石英窗口和石英窗口包覆层要紧密接触。底座内径大小要匹配空心模型底部直径，底座尺寸由具体仪器的结构尺寸决定。
2)组装工作电极和制作的工作电极包覆层，插入导电柱。将整个部件插入空腔模型，由底座支撑。盖上密封盖，将参比电极与对电极插入密封盖上的预留位，缠绕生料带以确保整个仪器不会倾倒和泄漏。
2.在液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应的测量：
(1)在固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5uW ～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/工作电极表面的4NBT分子的从0V到-1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动还原反应的循环伏安曲线图，如附图6。其中空心模型内电解质的种类和浓度参照测试内容和工作电极的材质来确定。图6证明了石墨烯(二维半导体材料)和银(工作电极)的表面等离激元-激子耦合相互作用能提高电化学还原反应的效率，使催化反应发生的阈值降低了0.2V，直接验证了本发明中的器件适用于液相的拉曼光谱测试和观测液相电化学表面等离激元-激子耦合还原反应；
(2)利用本发明中的器件测定当电势逐从0到1.2V到0V时(步长为0.1V)，测试吸附在二维半导体材料/工作电极表面的PATP分子发生等离激元-激子耦合驱动氧化反应的拉曼光谱图，其中激光波长为200nm～1000nm且激光强度为5uW～10mW。1400cm-1左右新增的两个峰属于PATP反应生成的产物DMAB的拉曼特征峰。图7(a) 说明了在等离激元-激子耦合作用下，PATP能够生成DMAB，图7(b) 说明了产物DMAB的稳定性。图7直接验证了本发明中的器件适用于液相的拉曼光谱测试和观测液相电化学表面等离激元-激子耦合氧化反应；
(3)图8为固定激光波长(200nm～1000nm)和激光强度(5u W～10mW)下，利用本发明中的器件测定吸附在二维半导体材料/工作电极表面的PATP分子的从0V到1.2V的表面等离激元-激子耦合驱动氧化反应的循环伏安曲线图。图8证明了石墨烯(二维半导体材料)和银(工作电极)的表面等离激元-激子耦合相互作用能提高电化学氧化反应的效率，使催化反应发生的阈值降低了0.5V，直接验证了本发明器件适用于液相的拉曼光谱测试和观测液相电化学表面等离激元-激子耦合氧化反应。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，其特征在于：包括二维半导体材料(2)、工作电极(3)、聚四氟乙烯包覆层(4)、导电柱(5)、石英窗口(6)、石英窗口包覆层(7)、空心模型(8)和底座(9)，二维半导体材料(2)覆盖在工作电极(3)上，工作电极(3)周围包裹聚四氟乙烯包覆层(4)后置于空心模型(8)中，工作电极(3)下端连接导电柱(5)，空心模型(8)上部的密封窗口为石英窗口(6)，石英窗口(6)周围包裹石英窗口包覆层(7)，激光(1)透过石英窗口(6)照射在工作电极上，空心模型(8)置于底座(9)上。
2.根据权利要求1所述的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，其特征在于：所述工作电极(3)为金、银、铜、镍中的一种。
3.根据权利要求1所述的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，其特征在于：所述包裹工作电极(3)的聚四氟乙烯包覆层(4)插入空心模型(8)时与空心模型(8)紧密接触。
4.根据权利要求1所述的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，其特征在于：所述激光(1)透过石英窗口(6)照射在紧密接触的二维半导体材料(2)和工作电极(3)的复合结构上。
5.根据权利要求1所述的液相下表面等离激元-激子耦合驱动电化学催化反应器件，其特征在于：所述石英窗口包覆层(7)上预留两个孔，分别为参比电极和对电极的预留位，石英窗口包覆层(7)密封空心模型(8)。
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