鄭海梅教授Nature：原位TEM檢測固液界面原子動力學

一、【科學背景】

帶電固液界面（ESLIs）在與能源、生物學和地球化學相關的各種電化學過程中發揮著關鍵作用。帶電界面上的電子和質量傳遞可能導致結構改變，從而顯著影響反應途徑。例如，電催化劑在反應過程中的表面重組可以顯著影響催化機制和反應產物。因此直接探測ESLIs的原子動力學非常重要。然而，由于固液界面被液體電解質掩埋，并且在液體中進行原位成像的技術空間分辨率有限，所以直接探測ESLIs的原子動力學具有較大的挑戰性。

二、【創新成果】

近期，美國勞倫斯伯克利國家實驗室鄭海梅教授團隊在Nature上發表了題為“Atomic dynamics of electrified solid-liquid interfaces in liquid-cell TEM”的論文，開發了用于原位TEM表征的先進電化學聚合物液體電池（PLCs），能夠直接監測Cu催化CO₂電還原反應（CO₂ERs）過程中ESLIs的原子動力學。本研究揭示了金屬催化劑表面波動的液態非晶界面相的形成，界面相動力學介導了催化劑表面重構。實時觀察和理論計算的結合揭示了一種由電荷激活的與電解質表面反應引起的非晶化介導的重構機制。電催化反應下ESLIs的原子動力學為中間體的形成和催化劑表面重構提供了新的認識。?

本研究設計開發了的先進的原位聚合物電化學液體池，實現了技術上的突破，將原位電化學研究帶入了原子分辨時代。基于新型原位電化學液體池進行了Cu催化的CO₂還原，直接觀測了帶電固-液界面在電催化反應過程中的原子動態，發現了在金屬催化劑表面存在擾動的類液態非晶中間相，其調節了催化劑表面的重組以及催化劑和電解液之間的質量傳輸。

圖1? 液態非晶態界面的表征實驗裝置和表征 ? 2024 Springer Nature

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非晶界面經歷兩種類型的動態行為：（1）它沿著結晶銅表面流動；（2）非晶界面和結晶銅相互轉化，使結晶銅原來光滑的表面變得粗糙。

圖2? 液態非晶態界面的動態行為 ? 2024 Springer Nature

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圖3? ESLIs上的Cu重構和溶解的原子動力學 ? 2024 Springer Nature

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圖4? 非晶界面形成和晶態銅表面重構的機制 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究開發了一種先進的高分辨率電化學液體電池，可以在TEM下原位觀察Cu催化的CO₂電還原反應中的電氣化固液界面的原子動力學。研究人員揭示了金屬催化劑表面波動的液態非晶界面相的形成，界面相動力學介導了催化劑表面重構。表面重建增加了有利于C₂H₄形成的表面特征，而非晶界面相的厚度與C₂H₄的選擇性呈正相關。本研究的原位PLC TEM開發為研究廣泛材料系統中電催化的原子機制提供了未來的可能性。

原文詳情：Atomic dynamics of electrified solid-liquid interfaces in liquid-cell TEM (Nature 2024, 630, 643-647)

本文由大兵哥供稿。