原位液相电化学扫描探针显微镜揭示二维过渡金属氢氧化物电催化析氧活性位点

Directly identifying and imaging catalytic active sites on the heterogeneous electrocatalyst is a grand challenge for science, yet is of great importance for the development of faster electrocatalysts for practical applications. However, understanding the electrochemical reactions on solid surfaces is often limited by the lack of analytical tools that can follow molecular reactions on the surface while the catalysts are working. Here we are aiming to develop a non-destructive in-situ scanning probe microscopy (SPM) platform with a high spatial resolution as well as sensitivity to study the electrocatalytic kinetic process on two-dimensional transition metal hydroxides. Combining the SPM’s ability to achieve molecular resolution with scanning electrochemical microscopy (SECM)’s ability to monitor where product evolves from a catalyst’s surface in situ, we are aiming to image the current distribution on the catalyst surface. Our approach will open up new opportunities to resolve the electrocatalytic active sites in situ, and therefore aid the rational design of highly active electrocatalysts for practical applications.

发展原位液相电化学研究方法跟踪单元纳米结构的表面反应过程，对深入理解电化学反应机制，实现催化剂活性位点的结构归属，具有非常重要的意义。本项目以扫描探针显微镜 (Scanning Probe Microscopy, SPM) 为基础表征手段，旨在建立兼具高空间分辨率、高灵敏度、无损的原位液相电化学研究方法。以具有清晰表界面结构的二维过渡金属氢氧化物为模型体系，重点发展基于SPM的原位液相电化学表征手段，并结合扫描电化学显微镜对单元纳米结构局域电化学电流进行成像，定位电催化析氧活性位点，明确构效关系，并以此为基础指导高效电催化剂的设计合成，进而推动材料的实用化研究。

发展原位液相电化学研究方法跟踪单元纳米结构的表面反应过程，对深入理解电化学反应机制，实现催化剂活性位点的结构归属，具有非常重要的意义。本项目以原子力显微镜为基础表征方法，重点发展原位电化学—原子力显微镜联用技术手段，围绕阳极氧化水分解反应和阴极CO2电催化还原反应展开研究，以二维过渡金属氢氧化物和二维范德华异质结结构（如石墨烯/石墨炔、石墨烯/超薄金属有机框架等）为研究对象，阐述异相电催化剂表界面结构在催化反应中的演变过程，揭示反应活性位点，明确构效关系。主要学术成果包括：1. 建立基于振幅调制的电化学—原子力显微镜联用技术这一空间分辨原位电化学研究方法；2. 开发微探针电化学测试系统，用于研究单元纳米结构的电催化性能；3.基于二维金属氢氧化物模型电催化剂，提出利用催化剂—载体界面重组过程提升能量转化效率的策略；4. 发展利用层间范德华耦合增强活性位转化频率的方法，揭示界面电荷转移的关键作用；5. 建立利用Pearson 相关系数在原子层次定量归属表面构效关系的方法，阐明催化活性位点本质；6. 揭示催化剂界面动态重构对反应路径的调控作用，解析各组分局域空间协同催化机制。项目执行期内共发表SCI论文13篇，其中包括J. Am. Chem. Soc. (2篇)、Chem (2篇)、Nano Lett. (1篇)、ACS Energy Lett. (1篇)、J. Energy Chem. (1篇)、J. Mater. Chem A (1篇)、Nano Res. (1篇) 等影响因子大于10的论文9篇。获得授权发明专利1项，申请发明专利2项。培养2名博士后、2名博士毕业生、4名硕士毕业生。目前在读博士生6名，硕士生4名，在站博士后2名。在本科生培养方面，培养1名望道学者，2名曦源学者，指导复旦大学希德书院启明星科创项目2项，指导10余名本科生完成毕业设计。