化工生物学院陈前进课题组在扫描电化学显微成像方面取得新成果

近期，东华大学化学化工与生物工程学院陈前进研究员课题组报道了基于先进扫描探针电化学技术——扫描电化学池显微镜（SECCM）探究具有不同表面拓扑结构的电极表面电催化反应气泡微观动态行为。相关成果以“Electrochemical Visualization of Gas Bubbles on Superaerophobic Electrodes Using Scanning Electrochemical Cell Microscopy（超疏水电极界面微纳气泡行为的电化学可视化）”为题发表在美国化学会期刊Analytical Chemistry（分析化学）。陈前进研究员为通讯作者，我校研究生刘玉龙为论文第一作者，东华大学为第一单位。

气体析出反应发生在许多电化学能量转换和工业过程中。目前研究人员主要致力于开发高活性和低成本的电催化剂以实现高效的能量转换。然而，在实际生产中，高电流密度或过电位下大量气体分子容易聚集并在电极表面形成气泡，从而造成 (i) 气泡占据催化位点并使电极表面钝化 (ii) 增加水电解的过电位并降低能量转换效率。构建理想的电极表面结构以实现表面气态物质相互作用的最小化或最大化成为解决这一问题的有效手段。因此，详细了解电极表面气泡现象对电化学过程的复杂影响对于设计更有效的电化学系统非常重要。

（具有不同表面结构的电极上单个气泡的SECCM测量成像示意图）

研究者首先通过水热法和一步电沉积法制备了具有表面不同拓扑结构的电极，结合扫描电化学池显微镜技术，探究了Pt电催化质子还原析H2，电氧化N2H4析N2以及MoS2电极材料电催化析H2过程中单个微纳气泡的电化学成核和动态行为。

（不同微结构电极表面电化学气体析出和气泡形成的典型伏安图）

在这项工作中，研究者发现在具有纳米结构的催化剂电极表面，异相气泡成核活化能垒明显下降，气泡脱离频率显著增加。结果说明具有纳米结构的超疏水表面不仅有利于气泡的快速成核，更利于产生的纳米气泡从电极表面尽快地移除，从而重新暴露活性电极面积，提高电解效率。这一研究成果为气泡析出电化学反应的电极微观结构设计提供了新的视角，并为电催化析气反应的常规宏观法拉第分析提供了极好的补充。

（不同微结构MoS2电极表面上微纳气泡成核后的动态行为）

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/full/10.1021/acs.analchem.1c02099