近日，大連化物所催化國家重點實驗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展，實現(xiàn)了電催化過程中電荷轉(zhuǎn)移過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)電勢差，突破了人們在傳統(tǒng)電化學(xué)方面對電子轉(zhuǎn)移過程的認識。

　　電化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動力是電化學(xué)勢，而電化學(xué)勢的決定因素是界面內(nèi)電位差，即電子轉(zhuǎn)移情況。如何探測界面電勢的局域分布，揭示其與電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)系對于納米催化劑的反應(yīng)機理的認識至關(guān)重要。一直以來，研究人員就設(shè)想通過納米探針觀測反應(yīng)過程的電子轉(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)物種的擴散過程常常使電化學(xué)成像難以穩(wěn)定。更重要的是，在電催化過程中，催化反應(yīng)與電子轉(zhuǎn)移過程卷積在一起，使得該電子轉(zhuǎn)移過程難以直接探測。

　　本工作中，李燦團隊建立了具有納米級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掃描測量了能夠轉(zhuǎn)移電子的外球電對分子和催化產(chǎn)物分子的局域分布，實現(xiàn)了對電子轉(zhuǎn)移過程和電催化反應(yīng)過程的原位反應(yīng)成像。在金屬納米顆粒上的電子轉(zhuǎn)移成像發(fā)現(xiàn)，該過程呈現(xiàn)位點依賴的空間異質(zhì)性，突破了人們對金屬電極上電子轉(zhuǎn)移過程的微觀認識。同時，通過解耦傳質(zhì)效應(yīng)對界面電子轉(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)電勢差測量等一系列精細的實驗，揭示了空間差異的界面內(nèi)電勢差與電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)對數(shù)間的線性關(guān)系。該方法在電化學(xué)領(lǐng)域?qū)﹄娮愚D(zhuǎn)移過程和催化反應(yīng)實現(xiàn)原位觀測，對原位成像技術(shù)的發(fā)展以及電催化過程機理探測方面提供新思路。

　　國際同行認為，該工作是原位掃描電化學(xué)探針技術(shù)的一個新里程碑，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。

　　李燦團隊長期致力于太陽能光催化、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光催化劑表面光生電荷給出了可視化圖像，在國際上最早將其應(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》（Nano Letters）上。該工作的第一作者是我所503組博士研究生聶偉。該工作得到國家自然科學(xué)基金委，“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心項目、中科院和大連化物所等相關(guān)項目的資助。（文/圖 聶偉、范峰滔）

　　文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03529