吉大/金属所/应化所JACS：准原位STEM-EELS光谱功不可没，揭示复合结构真实活动位点和动态功能机制

在多相催化反应中，复合催化剂表现出优异的催化活性，不同组分之间的界面相互作用对活性中心的活化起着控制作用。界面相互作用驱动的催化增强的实质是影响活性位吸附物种的动力学行为。近年来的研究表明，催化剂的催化活性受到颗粒或载体尺寸效应的显著影响。这意味着尺寸效应在控制活性中心与中间体之间的吸附能方面起着关键作用。相应地，一旦复合结构形成界面，界面相互作用也可能表现出一定的“尺寸”特征。

虽然目前的研究有意识地在空间尺度上提出了异质结构的催化性质的不一致性，但关于界面微环境的关键基本问题至今尚未阐明: 界面相互作用对活性位点的激活是否存在空间区域特征？相应地，界面效应的尺寸依赖范围是什么?最后，界面活性中心对催化剂整体“表观”性能的作用机理是什么?回答这些问题需要在原子水平上明确界面微环境和吸附中间物种的动力学行为。

Co基催化剂具有灵活可调的d轨道电子结构、稳定的几何构型和良好的催化活性，为研究复合结构中的界面构效关系提供了理想的平台。基于此，吉林大学冯守华、黄科科、中国科学院金属研究所张炳森和中国科学院长春应化所王颖等通过基于Kirkendall效应的B/O离子的连续扩散过程，开发了一个具有明确均匀界面的Co₃O₄同质结作为模型结构，并利用涉及多步反应中间体(* OH、*O、* OOH)的明确的脱附/脱附过程的析氧反应(OER)作为探针反应以直接鉴定界面处的“真正”活性来源。结果显示，制备的复合催化剂(Co-B@Co₃O₄/Co₃O₄ NSs)的周转频率(TOF)和质量活性分别是单体结构(Co₃O₄ NSs)的70倍和20倍，在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位为257 mV。

此外，研究人员首次采用具有高空间分辨率的准原位STEM-EELS光谱技术，在空间尺度上跟踪了OER过程中界面尺寸相关的动力学响应。结果表明，复合结构OER活性的提升来源于3 nm界面范围内的局域强电子相互作用；随着电压的升高，OER的驱动力增强，高度活化的界面促进了动态O-O耦合和去质子化过程。

此外，密度泛函理论(DFT)计算进一步证实了界面处强烈的电子相互作用通过在整个吸附过程中动态调整各种吸附构型来促进高度活化的*O/*OOH中间体的动态吸附/解离，这是加速OER动力学的关键。综上，该项研究在时空尺度上直观地揭示了复合结构的真实活动部位和动态功能机制，利用这种界面尺寸效应可以制备具有高活性中心的复合结构催化剂，进而高效催化其他重要反应。

Spatially and temporally resolved dynamic response of Co-based composite interface during the oxygen evolution reaction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12820