近日，大連化物所催化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分子催化與原位表征研究組（503組）李燦院士、范峰滔研究員等在液相原位電化學(xué)成像的研究方面取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了電催化過(guò)程中電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的納米尺度直觀成像，直接觀察到金屬電極在微納尺度存在空間差異的界面內(nèi)電勢(shì)差，突破了人們?cè)趥鹘y(tǒng)電化學(xué)方面對(duì)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
電化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力是電化學(xué)勢(shì)，而電化學(xué)勢(shì)的決定因素是界面內(nèi)電位差，即電子轉(zhuǎn)移情況。如何探測(cè)界面電勢(shì)的局域分布，揭示其與電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)系對(duì)于納米催化劑的反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。一直以來(lái)，研究人員就設(shè)想通過(guò)納米探針觀測(cè)反應(yīng)過(guò)程的電子轉(zhuǎn)移情況，但該尺度下的電流極其微弱，常常受到外界噪音干擾。另外，液相中化學(xué)物種的擴(kuò)散過(guò)程常常使電化學(xué)成像難以穩(wěn)定。更重要的是，在電催化過(guò)程中，催化反應(yīng)與電子轉(zhuǎn)移過(guò)程卷積在一起，使得該電子轉(zhuǎn)移過(guò)程難以直接探測(cè)。
本工作中，李燦團(tuán)隊(duì)建立了具有納米級(jí)空間分辨率的原子力顯微鏡和掃描電化學(xué)成像聯(lián)用的表征方法。該方法利用納米探針的移動(dòng)掃描測(cè)量了能夠轉(zhuǎn)移電子的外球電對(duì)分子和催化產(chǎn)物分子的局域分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程和電催化反應(yīng)過(guò)程的原位反應(yīng)成像。在金屬納米顆粒上的電子轉(zhuǎn)移成像發(fā)現(xiàn)，該過(guò)程呈現(xiàn)位點(diǎn)依賴的空間異質(zhì)性，突破了人們對(duì)金屬電極上電子轉(zhuǎn)移過(guò)程的微觀認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過(guò)解耦傳質(zhì)效應(yīng)對(duì)界面電子轉(zhuǎn)移的干擾，數(shù)學(xué)建模的有限元方法提取速率常數(shù)和內(nèi)電勢(shì)差測(cè)量等一系列精細(xì)的實(shí)驗(yàn)，揭示了空間差異的界面內(nèi)電勢(shì)差與電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)對(duì)數(shù)間的線性關(guān)系。該方法在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)﹄娮愚D(zhuǎn)移過(guò)程和催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)原位觀測(cè)，對(duì)原位成像技術(shù)的發(fā)展以及電催化過(guò)程機(jī)理探測(cè)方面提供新思路。
國(guó)際同行認(rèn)為，該工作是原位掃描電化學(xué)探針技術(shù)的一個(gè)新里程碑，這也使人們可以從物理化學(xué)底層原理出發(fā)，發(fā)現(xiàn)納米催化劑的結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系。
李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能光催化、光電催化、電催化以及催化光譜表征的前沿科學(xué)研究，取得了系列成果，特別是利用自主研發(fā)的空間分辨的表面光電壓顯微鏡對(duì)光催化劑表面光生電荷給出了可視化圖像，在國(guó)際上最早將其應(yīng)用到微納尺度光催化材料電荷分離的成像研究（Angew. Chem. Int. Ed., 2015；Nature Energy, 2018；Angew. Chem. Int. Ed., 2020等）中。
相關(guān)研究成果以“Visualizing the Spatial Heterogeneity of Electron Transfer on a Metallic Nanoplate Prism”為題，發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。該工作的第一作者是我所503組博士研究生聶偉。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委，“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、中科院和大連化物所等相關(guān)項(xiàng)目的資助。（文/圖 聶偉、范峰滔）
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03529
