香港城大&南大Nature Protocols封面：微納電催化器件

【導讀】

納米催化劑近年來已經成為能源催化領域的一個重要成員。為探究其電催化機理和性能，電化學平臺的開發和應用對發展納米電催化劑具有著深遠意義。近年來，各種新興的電化學工具，如原位XRD電化學研究、原位紅外電化學平臺、原位透射顯微鏡電化學池等，在提升催化劑性能和理解催化機理等方面發揮了重要作用。微納電催化器件(on-chip electrocatalytic microdevices, OCEMs)，是一種新發展的電化學平臺，專攻于在微米尺度上對納米材料進行電化學研究。與傳統電化學系統不同，微納電催化器件實現了在獨立納米材料上高精度的電化學測量。此外，OCEMs還可以選擇性地打開電催化窗口，對目標材料及其特定微區進行定向研究。在此基礎上，可通過構建含有源漏極的四電極OCEMs，進一步實現對納米催化劑在催化過程中的原位電輸運特性表征，為電荷運輸這一對電催化性能具有重要作用的因素提供一種新型研究方法。到目前為止，微納電催化器件在動態表征各種二維催化體系的電催化水分解方面取得了巨大的成功。微納電催化器件平臺的進一步采用和發展將不僅支持大規模的可再生能源運動，而且還將為復雜電化學界面的研究提供重要實驗依據。

【成果掠影】

近日，香港城市大學在Nature?Protocols上發文，以化學氣相沉積硫化鉬(C-MoS₂)納米片為例，系統介紹了其微納電催化器件(OCEMs)的詳細制備過程和電催化性能測試方法，并探究了各種因素對OCEMs測試結果的影響，包括測試系統、掃描速率、循環測試、暴露材料面積、測試窗口形貌、隔離PMMA層等。此外，文章還詳細介紹了四電極OCEMs的制備和電催化過程中的原位電輸運測量。本文被選為Nature?Protocols 2023年十月刊封面文章。香港城市大學博士生王文彬和祁俊磊為本文第一作者，香港城市大學助理教授何其遠和南京大學教授丁夢寧為本文共同通訊作者。

【核心創新點】

1、以CVD MoS₂?OCEM為例，給出了OCEM平臺實驗方法的執行標準，包括微器件制備、測量系統組裝、結果分析等。

2、系統研究了實驗中各種因素對測量結果的影響并提供了優化后的推薦參數，包括測量系統、掃描速率、循環測試、窗口大小和形狀、隔離層以及漏電流。

3、提供了半導體納米材料電催化過程中原位電輸運測量的實驗標準、結果分析和影響因素研究。

【數據概覽】

圖1.?微納電催化器件的示意圖和實物圖。

圖2. 三電極C-MoS₂?OCEM的制備過程圖解。

圖3. 影響OCEMs測量結果因素的示意圖。

圖4.?各種因素對OCEMs測量結果的影響。

圖5. 四電極OCEMs原位電輸運性能測量的示意圖、測量系統圖解及對應電路圖。

【成果啟示】

微納電催化器件已經被證明是一種新型、可靠、且功能強大的電化學平臺，致力于納米催化劑的電催化性能優化和電化學性能表征。在過去的幾年中，微納電催化器件得到了包括二維材料、納米材料、電化學等多個領域的廣泛關注，并助力發現獨特的電化學現象、揭示電催化機理、開發電催化劑。相信隨著其進一步發展，并結合高端表征技術，微納電催化器件將會在非水系催化、電催化機理研究和電催化劑性能提升等方面發揮巨大作用。

【文章信息】

2891. Wang, J. Qi, Z. Wu, W. Zhai, Y. Pan, K. Bao, L. Zhai, J. Wu, C. Ke, L. Wang, M. Ding, Q. He, Nature Protocols 2023, 18, 2891.

使用微納電催化器件protocol的幾篇典型工作：

Ding, M. et al. Nat. Commun. 6, 7867 (2015): https://doi.org/10.1038/ncomms8867?

Yu, Y. et al. Nat. Chem. 10, 638–643 (2018): https://doi.org/10.1038/s41557-018-0035-6?

He, Y. et al. Nat. Commun. 11, 57 (2020): https://doi.org/10.1038/s41467-019-13631-2?

He, Y. et al. Nat. Mater. 18, 1098–1104 (2019): https://doi.org/10.1038/s41563-019-0426-0?

Wang, W. et al. Adv. Mater. 34, 2203220 (2022): https://doi.org/10.1002/adma.202203220?

Pan, Y. et al. Nat. Commun. 13, 3063 (2022): https://doi.org/10.1038/s41467-022-30766-x

文章鏈接

https://www.nature.com/articles/s41596-023-00866-z