Operando Characterization of Iron Phthalocyanine Deactivation during Oxygen Reduction Reaction Using Electrochemical Tip-Enhanced Raman Spectroscopy

化学 酞菁 拉曼光谱 催化作用 电化学 降级(电信) 光化学 分子 氧气 反应机理 无机化学 物理化学 电极 有机化学 光学 物理 电信 计算机科学
作者
Zhu Chen,Song Jiang,Gyeongwon Kang,Duc Nguyen,George C. Schatz,Richard P. Van Duyne
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (39): 15684-15692 被引量:119
标识
DOI:10.1021/jacs.9b07979
摘要

Electrochemical tip-enhanced Raman spectroscopy (EC-TERS) has been implemented to investigate the structure and activity of iron(II) phthalocyanine (FePc)-a model catalyst for the oxygen reduction reaction (ORR). Using EC-TERS, both reversible change and irreversible degradation to FePc have been observed during ORR. The reversible change in the Raman spectrum of FePc can be related to the FePc molecules that adapt a nonplanar geometry during catalysis. In contrast, the irreversible degradation of FePc is a consequence of FePc demetalation, leading to the subsequent formation of free base phthalocyanine. This observation affirms that FePc demetalation during ORR proceeds via a direct loss of Fe2+ and that carbon corrosion is not the operative mechanism. Importantly, the FePc demetalation process can be correlated with a loss of ORR activity suggesting that Fe-containing sites are essential for FePc to achieve high catalytic activity. This study establishes EC-TERS as a promising technique for the operando characterization of electrocatalytic reactions at the molecular scale.
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