SEMINAR I 中国科字院大连化字物理研究所丑 DALIAN INSTITUTE OF CHEMICAL PHYSICS. CAS 组合电化学 一电化学研究中的新策略 研究生:王琪 导师:孙公权研究员 辛勤研究员 2006年5月16日 1
1 组 合 电 化 学 －电化学研究中的新策略 SEMINAR I 研究生： 王 琪 导 师： 孙公权 研究员 辛 勤 研究员 2006年5月16日
主要内容 概念 研究思路 构建和筛选 小结 展望 参考文献
2 主要内容 概念 研究思路 构建和筛选 小结 展望 参考文献 ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫ ⚫
组合电化学概念 组合化学的策略是运用组合原理,短时间内系统地将不同构建模块 反复连接,产生大批分子多样性群体,形成化合物库,然后以有效 的手段对库成分进行快速地筛选优化,找出符合要求的元素。 概念:组合电化学是通过设计和构建大量多样性的阵列电化学系 统,并对其进行髙通量筛选和表征,快速、高效地实现体 系的电化学研究
3 组合电化学概念 概念：组合电化学是通过设计和构建大量多样性的阵列电化学系 统，并对其进行高通量筛选和表征，快速、高效地实现体 系的电化学研究。 组合化学的策略是运用组合原理，短时间内系统地将不同构建模块 反复连接，产生大批分子多样性群体，形成化合物库，然后以有效 的手段对库成分进行快速地筛选优化，找出符合要求的元素
组合电化学研究思路 组合电化学库的设计和构建+组合电化学库的筛选和表征 阵列电极 光字筛远 阵列电解池 已化“何师龙 阵列电容器 SEM STMEIR等表征于
4 组合电化学研究思路 组合电化学库的设计和构建 阵列电极 + 组合电化学库的筛选和表征 阵列电解池 阵列电容器 光学筛选 SEM, STM, IR等表征手段 电化学平行筛选
高通量光学筛选方法 阵列电极+荧光筛选 电化学库的设计和构建 -入入 M 鑫 H 1 cm 4+48+112+56=220 ●各个电极的排列是基于一个正四面体的思想:把一个正四面体展开,则形成了4个金属(顶点) 48个二元合金(边)、112个三元合金(面)、56个四元合金(体内),一共是220个元素的阵 列 然后用彩色打印机将金属盐溶液打印到 Toray碳纸上,再用NaBH还原得到220-电催化剂阵列 EReddington, et al. Science, 1998, 280: 1735 G. Chen, et al. J, Electrochem. Soc 2002. 149: A1092 5
5 电化学库的设计和构建 高通量光学筛选方法 E.Reddington, et al. Science, 1998, 280:1735 G. Chen, et al. J. Electrochem. Soc., 2002, 149: A1092 ⚫ 各个电极的排列是基于一个正四面体的思想：把一个正四面体展开，则形成了4个金属（顶点）、 48个二元合金（边）、112个三元合金（面）、56个四元合金（体内），一共是220个元素的阵 列 ⚫ 然后用彩色打印机将金属盐溶液打印到Toray碳纸上，再用NaBH4还原得到220-电催化剂阵列。 阵列电极＋荧光筛选 4＋48＋112＋56＝220
高通量组合光学筛选方法 阵列电极+荧光筛选 荧光筛选方法 ●利用荧光指示剂来指示电极表面生成的某种离子的累积或者消耗,以表征出阵列电极 上各单元的反应活性。 CH3OH H2o-+Co2+ 6H++ 6e Pt-Ru-Os三元合金阵列电极在(a)白光,()低极化电势 (c)高极化电势下的荧光图像,奎宁指示剂 ●筛选得到的最佳的甲醇氧化催化剂合金原子组成为P(44)/Ru(41)Os(10)/r(5),稳态V 极化实验表明,该合金在400mV电压下的电流密度比商品P(50)/Ru(50)合金高40% 简单、方便 X不能指示微小电流的变化 E Reddington, et al. Science, 1998, 280: 1735 G. Chen, et al. J Electrochem. Soc., 2002, 149: A1092 6
6 Pt-Ru-Os三元合金阵列电极在 (a) 白光，(b) 低极化电势， (c) 高极化电势下的荧光图像，奎宁指示剂。 ⚫ 利用荧光指示剂来指示电极表面生成的某种离子的累积或者消耗，以表征出阵列电极 上各单元的反应活性。 CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e- ⚫ 筛选得到的最佳的甲醇氧化催化剂合金原子组成为Pt(44) / Ru(41) / Os(10) / Ir(5)，稳态I-V 极化实验表明，该合金在400mV电压下的电流密度比商品Pt(50) / Ru(50)合金高40％。 E.Reddington, et al. Science, 1998, 280:1735 G. Chen, et al. J. Electrochem. Soc., 2002, 149: A1092 高通量组合光学筛选方法 阵列电极＋荧光筛选 荧光筛选方法 ✓ 简单、方便 ҳ 不能指示微小电流的变化 (a) (b) (c)
组合阵列的电化学平行筛选方法 阵列电极+电化学平行筛选 阵列电极制备 液体自动分配系统分配混合有 LiMn2O4和乙炔黑的两种墨水, 自动组装出一个具有64-通道相 互绝缘的LMn2O4薄膜电极阵 列(各电极组分含量不同)。 H 绝缘基质Li,内置集流装置 ··专 A.D. Spong et aL, J. Power Sources, 2003, 119-121: 778
A.D. Spong et al., J. Power Sources, 2003, 119–121:778 7 组合阵列的电化学平行筛选方法 阵列电极＋电化学平行筛选 液体自动分配系统分配混合有 LixMn2O4和乙炔黑的两种墨水， 自动组装出一个具有64-通道相 互绝缘的LixMn2O4薄膜电极阵 列（各电极组分含量不同)。 绝缘基质 Li, 内置集流装置 阵列电极制备
电化学平行筛选方法 ●电子电路的设计 √一个恒电势电路:控制所有工作电极的电势同时线性变化一简单易行 √多个电流跟随器:同时采集数据,多通道的AD转换器将电流数据输入微机 进行处理 C含量为20%时测得的循环伏安曲线 完成了电极阵列电化学性能的高通量平行测量 8
8 ⚫ 电子电路的设计 ✓ 一个恒电势电路：控制所有工作电极的电势同时线性变化－简单易行 ✓ 多个电流跟随器：同时采集数据，多通道的A/D转换器将电流数据输入微机 进行处理 完成了电极阵列电化学性能的高通量平行测量 电化学平行筛选方法 C含量为20％时测得的循环伏安曲线
组合阵列的电化学平行筛选方法 阵列电极+电化学平行筛选 electrical contact lead /contact pad clamping bolts cell top refererce/ counter electrode cell plate r Li foil 5 mm guide post separator 109mm 64-组合电极板 cell base guidepost 图964电极阵列组合电池 ●不同的电极材料被溅射沉积在位于玻璃板上的64个圆形导电片上,构成64-电极阵列 ●多孔 Celgard2502隔膜上面的薄片,作为对电极和参比电极 ●控制所有工作电极的电势线性变化分别测量各电极上流过的极化电流,从而实现了同时 测量64个工作电极的循环伏安曲线 ●由循环伏安曲线积分得到的比容量数据同传统方法制备的电池的比容量数据一致证明 了组合电化学方法的可靠性。 M. D. Fleischauer et al. J Electrochem. Soc., 2003 150: A1465 9
9 图9. 64-电极阵列组合电池 M. D. Fleischauer et.al. J. Electrochem. Soc., 2003 150:A1465 64-组合电极板 ⚫ 不同的电极材料被溅射沉积在位于玻璃板上的64个圆形导电片上，构成64-电极阵列 ⚫ 多孔Celgard 2502 隔膜上面的Li薄片，作为对电极和参比电极 ⚫ 控制所有工作电极的电势线性变化,分别测量各电极上流过的极化电流,从而实现了同时 测量64 个工作电极的循环伏安曲线 组合阵列的电化学平行筛选方法 阵列电极＋电化学平行筛选 ⚫ 由循环伏安曲线积分得到的比容量数据同传统方法制备的电池的比容量数据一致,证明 了组合电化学方法的可靠性
组合阵列的电化学平行筛选方法 阵列电解池+电化学平行筛选 包含一个铂参比电极和一个辅助电极的可移动扫 Potentiostat 描电极探针,在计算机的控制下可插入不同的电 解池,通过电解电压的改变,不同结构和组成的 混合金属就在T基底上沉积出来。再经过600c 煅烧6h制得混合金属氧化钨电极阵列。 具有多孔的聚丙烯板覆盖在钛箔上, Astana L 筑 构成多个独立的小型电解池,各电 解池可注入不同的盐溶液。 筛选:阵列电极的光电活性是通过测量0V和偏置电压下的光电流完成。 Ni的掺杂有效地提高了氧化钨的光电活性。 H Baeck et al. J. Comb. Chem. 2002. 4: 563 10
S.H.Baeck, et al. J. Comb. Chem., 2002, 4: 563 10 具有多孔的聚丙烯板覆盖在钛箔上， 构成多个独立的小型电解池，各电 解池可注入不同的盐溶液。 包含一个铂参比电极和一个辅助电极的可移动扫 描电极探针，在计算机的控制下可插入不同的电 解池，通过电解电压的改变，不同结构和组成的 混合金属就在Ti基底上沉积出来。再经过600oC 煅烧6h制得混合金属氧化钨电极阵列。 Ni的掺杂有效地提高了氧化钨的光电活性。 筛选：阵列电极的光电活性是通过测量0V和1V偏置电压下的光电流完成。 阵列电解池＋电化学平行筛选 组合阵列的电化学平行筛选方法