JACS：陰極腐蝕影響電催化CO2/N2還原的活性及穩定性？來看看基于原位電化學透射電鏡的陰極腐蝕研究

導讀

陰極腐蝕，即金屬電極在還原電位下仍發生結構或組成改變的現象，是一種常見但卻神秘的電化學過程。早在19世紀末陰極腐蝕現象就已經被發現，但直到最近，人們才對陰極腐蝕有一些微觀機制的理解。

金屬陰極腐蝕受金屬種類、陰極電位、電解質類型及濃度等影響。目前，大多數陰極腐蝕研究工作集中在利用陰極腐蝕自上而下將塊狀金屬轉變成納米金屬顆粒上，關于陰極腐蝕過程中金屬納米顆粒形貌變化及機理的研究非常少。然而，金屬納米顆粒形貌對電催化CO2/N2/O2等反應至關重要。揭示金屬納米顆粒陰極腐蝕的動態規律及機制不但是可控制備高效電催化劑的基礎，也是避免不必要腐蝕提高催化穩定性的前提。

成果掠影

近日，康奈爾大學的Abrun?a教授等人報道了利用原位電化學透射電鏡實時研究電極-電解液界面，探索金屬納米材料陰極腐蝕過程及機制，并在此基礎上，利用陰極腐蝕自上而下的合成常規方法無法制備的Au-Pt納米合金。該研究為高效納米電催化劑的制備、納米材料在催化陰極反應過程中結構演變的研究提供了方法及理論，研究成果以 “Elucidating Cathodic Corrosion Mechanisms with Operando Electrochemical Transmission Electron Microscopy”為題發布在國際著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

核心創新點

1. 通過四維電化學原位透射電鏡揭示鉑電極片上納米Au顆粒發生陰極腐蝕形成Au?Pt納米合金的過程及機制；
2. 揭示Pt納米晶電化學腐蝕，從Pt（111）轉化為Pt（100）和（110）動態演變過程及機制；
3. 揭示Au?Pt納米線通過陰極腐蝕形成Au?Pt納米顆粒的動態演變過程

數據概覽

圖1 陰極腐蝕前后金屬顆粒電化學特征及形貌的變化

圖2 四維電化學原位透射電鏡

圖3 陰極腐蝕過程中的原位透射電鏡研究

圖4 陰極腐蝕產生Au?Pt納米顆粒

圖5 通過陰極腐蝕金屬材料發生重構的機制

成果啟示

金屬納米催化劑陰極腐蝕對其結構、催化活性/選擇性和穩定性影響巨大。本研究表明通過理性設計陰極腐蝕進而調整納米電催化劑的形貌和組成是制備高效催化劑、提高催化活性和選擇性的一種有效手段。原位電化學透射電鏡為納米材料陰極腐蝕研究提供了有效手段，在其它電極電化學反應機制研究方面也具有很大應用潛力。

文獻鏈接：Yao Yang, Yu-Tsun Shao, Xinyao Lu, Yan Yang, Hsin-Yu Ko, Robert A. DiStasio, Jr, Francis J. DiSalvo, David A. Muller, and Héctor D. Abrun?a, J. Am. Chem. Soc.?2022, https://doi.org/10.1021/jacs.2c05989