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气体扩散电极（GDE）是电化学反应中常见的组件，通过提供气液界面来加速电子和离子的传递。本文研究了在GDE界面上气泡与水的相互作用，揭示了无需外加电压或催化剂情况下，自发生成的高度活跃的氧化还原自由基物种。这一发现为GDE在电化学反应中的应用提供了新的见解，特别是在环境催化和能量转化领域中具有广泛的应用潜力。
成果简介
研究发现，通过在GDE中引入气体流动，形成了丰富的气液界面，能够自发生成氧化还原自由基物种（如H₂O•⁺/H₂O•⁻）。这些自由基在无偏压条件下，通过电子自旋共振（EPR）被成功检测到，并通过紫外-可见光光谱进一步验证。研究还发现，通过引入18-冠醚可以稳定这些自由基，从而增强其反应活性。这一发现展示了在GDE界面上形成的微观环境对化学反应的显著促进作用。
研究亮点
自发生成氧化还原自由基：无需外加偏压，GDE中的气液界面可以自发生成高度活跃的H₂O•⁺和H₂O•⁻自由基。
氧化和还原的共存：研究表明，氧化和还原自由基在GDE界面上共存，形成类似微型电化学电池的环境，有助于氧化还原反应的进行。
18-冠醚的作用：通过引入18-冠醚，可以有效稳定H₂O•⁺自由基，并提高其氧化还原活性，促进更高效的化学反应。
配图精析
图1：展示了两种气液界面：微滴在气体中的“droplets-in-gas”和气泡在水中的“bubbles-in-water”示意图。通过这些界面产生大量自由基物种，为后续研究打下基础。
图2：碳纸的扫描电子显微镜（SEM）图像展示了其疏水/亲水两面结构，气体通过疏水面，水流通过亲水面，形成大量气液界面。纳米颗粒追踪分析仪（NTA）进一步展示了气泡的生成和尺寸分布。
图3：EPR光谱显示了在不同气体条件下，自发生成的DMPO-H₂O⁺和DMPO-OH自由基物种，气体流动增强了自由基生成的强度。
图4：引入硫酸盐后，EPR和紫外-可见光光谱分别检测到SO₃•⁻、I₃⁻和Fe(CN)₆³⁻等物种，表明氧化自由基在氧化过程中起到关键作用。
图5：EPR光谱进一步揭示了甲酸钾氧化过程中CO₂•⁻的生成，并通过在线气相色谱检测到了生成的CO，证明了还原自由基的存在。
图6：引入18-冠醚后，EPR光谱显示DMPO-H₂O⁺和DMPO-OH自由基的浓度显著增加，表明冠醚对H₂O•⁺的稳定作用。
图7：EPR光谱结合氯离子色谱分析，证明了18-冠醚通过抑制H₂O•⁺和H₂O•⁻的重组，显著提升了自由基的活性。
展望
本研究通过揭示气体扩散电极界面上自发生成的氧化还原自由基物种，展示了GDE在化学反应中的独特优势。未来的研究将进一步探索这些自由基在电化学转化和环境催化中的应用潜力，尤其是通过引入冠醚等配体来调控自由基的稳定性和反应性。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-52790-9
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52790-9
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