超高灵敏度的电子转移检测技术及其相关应用的研究

Electro-catalyst is widely applied in the fields of fuel cells, electro-analysis and electro-synthesis. However, the product from most of nano-synthesis methods usually has low productivity and purity, while traditional electrochemical methods only can measure the average performance of many nano-catalysts. Then it is difficult for the traditional electrochemical methods to find the high performance catalysts of low population, and to understand the catalytic mechanism in nano-scale. In this project, we will invent an ultrasensitive detection technology of electron transfer, and use this advanced technology to study the electro-catalytic performance of single nanoparticles. In this technology, two advanced techniques including single molecule fluorescence technique and ultra-microelectrode technique are integrated together to achieve a high sensitivity and usability. Based on this technology, the effect of shape, size and structure on the electro-catalytic performance and the reaction mechanism will be studied at the single nanoparticle level. In addition, the catalytic mechanism in nano-scale will be studied, and some higher performance catalysts are possible to be filtered out during the research. As a result, this project will discover and study the frontier scientific problems in (photo-) electrochemistry based on the development of the novel technology.

纳米电催化剂在燃料电池、电分析化学、电合成等领域都有着重要的应用。但是，由于纳米合成产物的均一度往往不够高，而且传统电化学方法只能检测到众多纳米电催化剂的平均性能，所以纳米电催化剂的筛选和机理研究一直非常困难。该项目将开发一种超高灵敏度的电子转移检测技术，并以此对单个纳米粒子的电催化性能进行研究。该检测技术集成了两种先进技术——荧光单分子技术和超微电极技术，从而开发出一种超高灵敏度的、通用的电子转移检测技术，原理上可以检测到单个电子的转移。利用该原创技术，将重点研究单个纳米粒子的形状、尺寸、组成、晶面等性质对其电催化性能的影响，即 “构-效”关系。在此基础上，还将研究单个纳米粒子尺度下的催化反应机理，以及进行一系列催化剂筛选方面的研究。最终，该项目将以原创技术的开发为基础，探索和研究一些（光）电化学领域的前沿难题。

电催化剂在燃料电池、染料敏化太阳能电池、电分析化学、电合成等方面都有着重要的地位，一直是电化学领域的研究重点和热点。但是，由于纳米合成产物的均一度往往不够高，而且传统电化学方法只能检测到众多纳米电催化剂的平均性能，所以纳米电催化剂的筛选和机理研究一直非常困难。由于电催化剂的研发难度极大，远远落后于相关的应用研究，严重影响了相关领域的发展。该项目开发了一种超高灵敏度的电子转移检测技术，并以此对单个纳米粒子的电催化性能进行研究。该检测技术集成了两种先进技术——荧光单分子技术和超微电极技术，从而开发出一种超高灵敏度的、通用的电子转移检测技术，原理上可以检测到单个电子的转移。项目开展期间，进行了催化芯片的设计微加工及密封性和导通性的测试研究、导电基底材料石墨烯微电极组装方法研究、完整催化芯片的测试研究、探究不同催化剂电催化氧化甲酸的研究、不同浓度甲酸钠的影响研究等，从各个角度对单个纳米粒子的电催化性能进行研究。通过这一系列研究，建立超高灵敏度的、通用的电荷转移检测技术，该方法可以检测到fA级的电荷转移，圆满完成了预定的目标。该项目详细研究了不同粒径、不同形状的纳米电催化剂的电催化反应性能。尤其是详细研究了单个PtTe纳米棒对于甲酸电氧化的催化性能。揭示了单个纳米粒子的电催化反应机理。发现PtTe纳米棒对于甲酸电氧化在单个纳米粒子尺度下是一种间歇性的催化过程，而且也存在着电催化氧化的化学震荡现象。这帮助我们进一步理解了单个纳米粒子的电催化反应机理。已经在SCI或EI等期刊上发表论文12篇，其中包括JACS、ACS Catalysis等国际著名期刊上，申请专利3项。共培养了博士后2人，博士生1人，硕士生6人，以及初级职称人员2人。期间多名学生获得国家奖学金、中科院以及研究所的各类奖学金。项目负责人也获得江苏省“双创”人才计划支持。