暨南大學、加拿大卡爾頓大學、加拿大科學院相關團隊合作,在國際上率先實現了光參與的液固催化界面的局域溫度的精準測量。相關研究以《基于光纖原位監測光電催化反應中的納米尺度的快速溫度變化》為題發表于《光:科學與應用》(Light:Science & Application)。
揭示催化物質在微觀表界面進行的物理與化學反應動力學過程與規律,是推動先進催化前沿基礎科學向能源、環境、生命等應用領域發展的關鍵。然而,在催化反應往往伴隨著熱量的產生與釋放,嚴重干擾了催化反應的本征動力學過程和平衡,如何發展原位、快速、精準的催化表界面的熱測量技術和工具。
目前,催化產熱測量手段主要包括熒光光譜技術、表面拉曼增強光譜技術、熱電偶技術以及紅外成像技術等。這些技術在進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熱量吸收導致的熱量快速衰減的難題。因此,迫切需要發展全新的催化熱檢測原理和方法,實現高空間分辨率、快速、原位的熱測量。
為了攻克這一難題,暨南大學郭團教授團隊與朱明山教授團隊合作,提出一種高靈敏度光纖光梳熱測量技術,率先實現了對液-固界面催化反應產熱過程的納米尺度、實時、原位、精準測量。該團隊研發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。這一細如發絲的光纖傳感器即可附著于催化材料表面、也可嵌入其內部。
光纖傳感器提供兩個功能,一方面可作為電極提供/獲取電學信號,另一方面作為光學探針原位讀取其表面催化材料產生的熱量,獲得液-固催化界面的熱量測量精度0.1 °C、空間分辨率100 nm、時間分辨率為0.1秒。此次研究,這一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境溫度變化對催化界面溫度的干擾。
該團隊在國際上率先實現了光參與的液固催化界面的局域溫度的精準測量,為揭示催化和表界面的物理與化學基本規律和開發熱監測方式提供了方法支撐。