陈前进课题组在新型电化学显微镜技术 用于电极界面单个气泡化学测量上取得新进展

我校化学化工与生物工程学院特聘研究员陈前进课题组开创性地开发了扫描电化学显微镜技术，成功在多种催化材料表面上实现对单个气泡的化学测量与定量分析，相关工作以《Pt，Au和MoS2基底表面电化学H2气泡成核的可视化和量化分析》为题发表于《美国化学会传感》杂志，陈前进与美国犹他大学亨利·怀特（Henry White）教授为共同通讯作者，第一作者为化学化工与生物工程学院硕士生刘玉龙。

气泡现象存在于许多电化学过程，例如电催化和光电催化水分解中的氢气和氧气析出、电化学氯碱工业、以及燃料电池中的CO2气体的析出。电极上形成的气泡会增加电极/电解质界面的欧姆电阻并阻碍溶液中氧化还原物质向活性电极的传质扩散。因此针对催化剂电极表面气泡现象的基础性科学研究具有重要意义，同时也有助于电极材料与几何结构的合理设计以提高整体催化性能和效率。

针对上述问题，陈前进课题组构建一种新型的扫描电化学电池显微镜技术（scanning electrochemical cell microscopy, SECCM），并在微观尺度下对不同的模型电催化材料（多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2）表面电催化析氢反应展开了系统性研究。在这一方法中，采用机械与压电晶体运动相结合实现单通道纳米微管探针的三维空间高分辨运动和定位控制，当探针末端电解液液滴接触基底电极，可形成稳定的半圆月状纳米液滴电化学池，进而开展纳米尺度电化学测量。通过对基底工作电极的电位控制实现质子还原和H2析出。当H2浓度达到一定阈值时，纳米微管内发生气泡成核，并堵塞微管内的物质传递。

图1 单通道纳米探针SECCM技术用于电极表面上单个H2气泡的电化学成核研究

研究者首先使用超微探针在多晶Pt上研究析氢反应，并观察到了具有气泡成核特征的伏安响应曲线。质子还原的法拉第电流随着过电位从-0.50V的增加而迅速增加，在一定的电位下达到峰值，然后急剧下降并维持在一定的极小值。而后的扫描周期中，法拉第电流稳定在较小值。随后，研究者探究了硫酸质子浓度、电压扫描速率、探针末端与基底平面的距离、探针尖端尺寸的依赖关系。基于以上研究结果，研究者进一步采用探针跳跃扫描模式，分别对多晶型Pt、Au以及超薄二维MoS2表面进行气泡成核的电化学扫描成像。研究结果显示，在各类催化材料表面各位点均可观察到高度稳定可重复的特征伏安曲线。通过分析Pt表面各个晶面上的HER循环伏安曲线，研究者发现H2气泡成核峰值电流与电极晶面或边界之间没有明显的相关性，表明电极的晶面取向与气泡成核能垒无关。对于非传统贵金属催化材料MoS2，H2气泡成核电位更负于Pt表面，成核峰值电流也较低。上述实验结果也证明了扫描电化学池显微镜技术广泛适用于多种电催化材料表面的微观研究。

图2 SECCM方法用于多晶型Pt电极表面H2气泡成核的电化学成像

图3 多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2电极表面H2气泡成核的定量分析

通过对探针末端纳米液滴发生的H2传质的有限元模拟计算，研究者对气泡成核时的临界H2分子浓度进行了定量分析，测得在多晶Pt、Au以及超薄二维MoS2材料表面H2气泡成核的临界浓度，并获得临界晶核曲率半径、晶核接触角等一系列物理化学性质。这项研究证明，该新型扫描电化学显微镜技术是一种探究微观尺度下单个体电化学成核过程的强大工具。该工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金以及厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室开放基金的资金支持。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssensors.0c00913