電化學分析領域最新Angew: 單顆粒電化學中表面應力效應的探究

【導讀】

顆粒催化劑的表面應力被認為是調控催化反應活性的有效策略之一，深入理解兩者的相關性對于進一步開發高效的催化劑具有重要的意義。當前納米催化劑電催化活性評價主要基于復合電極，其結果包含了導電碳粉、粘合劑等添加劑的貢獻。因此，有必要在單顆粒水平表征催化劑的本征催化活性并進一步建立本征構效關系。掃描電化學池顯微鏡(SECCM)作為一種新興的掃描探針電化學成像技術，采用微液滴反應器實現微區電化學過程的測量表征，通過共定位的界面成像可以實現單顆粒水平的結構-活性關系研究。在此，作者利用SECCM實現了單個Pd納米晶電催化析氫反應研究，通過對比具有不同表面應力的納米晶析氫反應行為，直接探究了催化劑表面應力對反應活性作用。

圖1：單個Pd納米晶顆粒的SECCM測量示意圖

【成果掠影】

近日，東華大學陳前進研究員課題組與中國科學技術大學的曾杰教授合作在國際知名期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上發表了題為《》（Exploring the Strain Effect in Single Particle Electrochemistry using Pd Nanocrystals）的研究論文。作者首先合成了尺寸相近、晶面取向相同的單分散Pd 八面體和二十面體并將其離散的分散在玻璃碳電極表面。利用掃描電化學池顯微鏡技術，實現單個Pd納米晶表面電化學析氫反應的測量。基于單顆粒析氫反應極化曲線，計算得到反應電流密度和TOF值。統計結果表明，在–0.87 V vs RHE 電位下，Pd 八面體和Pd 二十面體析氫反應平均電流密度分別為–1929 and –4002 mA·cm-2，TOF值分別為4427 and 9178 s-1，后者表現出更為優越的活性。進一步結合共定位的掃描電子顯微成像（SEM），建立顆粒結構與本征活性的直接關聯。

【數據概覽】

圖2：玻碳基底上單個Pd納米晶顆粒的SECCM電化學成像

圖3：單個Pd納米晶顆粒的電催化析氫性能比較

【成果啟示】

基于晶格參數和表面應力理論計算，Pd 二十面體（111）晶面中心區域存在明顯的拉伸應力，而八面體表面沒有應力。作者認為催化劑的這種局域應力是造成其更高HER活性的原因。該工作為催化活性對表面應力的依賴性提供了直接的證據，并為廣泛探究應力效應對電催化反應的調控提供了新的研究策略。

原文詳情：

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202304424

本文由趙驕供稿