我所实现电催化过程电子转移成像

  近日,我所催化国家重点实验室分子催化与原位表征研究组(503组)李灿院士、范峰滔研究员等在液相原位电化学成像的研究方面取得新进展,实现了电催化过程中电荷转移过程的纳米尺度直观成像,直接观察到金属电极在微纳尺度存在空间差异的界面内电势差,突破了人们在传统电化学方面对电子转移过程的认识。

  电化学反应的内在驱动力是电化学势,而电化学势的决定因素是界面内电位差,即电子转移情况。如何探测界面电势的局域分布,揭示其与电子转移动力学之间的内在关系对于纳米催化剂的反应机理的认识至关重要。一直以来,研究人员就设想通过纳米探针观测反应过程的电子转移情况,但该尺度下的电流极其微弱,常常受到外界噪音干扰。另外,液相中化学物种的扩散过程常常使电化学成像难以稳定。更重要的是,在电催化过程中,催化反应与电子转移过程卷积在一起,使得该电子转移过程难以直接探测。

  本工作中,李灿团队建立了具有纳米级空间分辨率的原子力显微镜和扫描电化学成像联用的表征方法。该方法利用纳米探针的移动扫描测量了能够转移电子的外球电对分子和催化产物分子的局域分布,实现了对电子转移过程和电催化反应过程的原位反应成像。在金属纳米颗粒上的电子转移成像发现,该过程呈现位点依赖的空间异质性,突破了人们对金属电极上电子转移过程的微观认识。同时,通过解耦传质效应对界面电子转移的干扰,数学建模的有限元方法提取速率常数和内电势差测量等一系列精细的实验,揭示了空间差异的界面内电势差与电子转移速率常数对数间的线性关系。该方法在电化学领域对电子转移过程和催化反应实现原位观测,对原位成像技术的发展以及电催化过程机理探测方面提供新思路。

  国际同行认为,该工作是原位扫描电化学探针技术的一个新里程碑,这也使人们可以从物理化学底层原理出发,发现纳米催化剂的结构—性能关系。

  李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化、电催化以及催化光谱表征的前沿科学研究,取得了系列成果,特别是利用自主研发的空间分辨的表面光电压显微镜对光催化剂表面光生电荷给出了可视化图像,在国际上最早将其应用到微纳尺度光催化材料电荷分离的成像研究(Angew. Chem. Int. Ed., 2015;Nature Energy, 2018;Angew. Chem. Int. Ed., 2020等)中。

  相关研究成果以“Visualizing the Spatial Heterogeneity of Electron Transfer on a Metallic Nanoplate Prism”为题,发表在《纳米快报》(Nano Letters)上。该工作的第一作者是我所503组博士研究生聂伟。该工作得到国家自然科学基金委,“人工光合成”基础科学中心项目、中科院和大连化物所等相关项目的资助。(文/图 聂伟、范峰滔)

  文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03529

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