近日，我所超快时间分辨光谱与动力学研究组（1110组）田文明、吴博宁研究员团队在电催化原位表征方法研究中取得新进展。团队开发了原位时间分辨光谱电化学显微成像技术，可在电催化工况条件下对催化剂中电子密度的时空分布进行定量探测，为解决催化剂内部载流子空间分布、积累与消耗等微观过程难以表征的问题提供了新手段。团队以单层二硫化钼（MoS2）析氢反应（HER）为模型体系，直接观察到电子在不同区域的空间分布及局部耗尽现象，并将不同电子耗尽机制与反应活性相关联，据此区分活性位点。
电催化析氢反应是绿色制氢体系中的关键半反应，界面电子转移是调控其性能的核心因素。然而，实际工况下催化剂内部载流子的空间分布、积累与消耗等微观过程尚不明确，现有表征手段大多仅能探测界面电流、表面形貌或化学状态。针对上述问题，研究团队发展了原位时间分辨光谱电化学显微成像技术，可在电催化实际工作条件下定量探测催化剂中电子密度的时空分布。
团队以MoS2析氢反应为模型体系，采用ITO导电玻璃基底上的单层MoS2作为工作电极、饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极、铂片作为对电极，将样品浸没于惰性电解质中开展研究。团队发现，即使没有法拉第反应消耗电荷，单层MoS2不同位置也表现出不同的电子密度时空分布：不同位置具有不同的充电初始延迟和充放电时间常数，反映局部界面或接触电阻等差异。
在0.5 M H2SO4溶液中，研究团队比较了三角形MoS2片层中心与边缘的平衡电子密度。由于单层MoS2边缘通常具有较高的析氢反应速率，边缘处的局部电子耗尽被解释为边缘位点对电子的反应消耗增强。为进一步区分电子耗尽来源，团队比较了单层MoS2、Pt修饰区域和双层MoS2区域的动力学。光激发条件下，Pt修饰处和双层区域均具有较高电子密度；而在电催化反应中，Pt修饰处和双层区域的电子密度明显低于单层MoS2区域。结合动力学分析，团队揭示了两种不同的电子耗尽机制：高活性边缘位点和Pt修饰区域主要表现为反应消耗受限的动力学特征，而双层MoS2区域则主要表现为电子注入受限。
该工作将时空分辨光谱电化学显微成像技术引入电催化工况研究，实现了对催化剂中电子密度时空分布的定量探测，为直接识别电催化活性位点、理解界面电子转移过程提供了新方法，为高效析氢催化剂的设计提供了参考。
相关研究成果以“Operando Time-Resolved Spectroelectrochemical Microscopy Reveals Distinct Electron Depletion Pathways in Electrocatalysis”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该文章的第一作者为1110组博士研究生杨涛。上述工作得到了国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的资助。（文/图 吴博宁）
