Nature子刊：原位多模态显微成像，揭示微观结构和缺陷对催化剂性能的影响！

第一作者：Camilo A. Mesa

通讯作者：Raj Pandya

通讯单位：法国索邦大学

论文速览

光（电）催化剂利用阳光来驱动化学反应，如水分解。限制光催化剂发展的一个主要因素是物理化学的不均匀性，这导致了空间依赖性反应。为了找到结构和功能的关联，需要在微观长度尺度和宽范围的时间尺度（ns到s）上同时探测电化学环境。

本研究开发了一种原位（光学）显微镜技术，用于观察和关联局部电化学活性、空穴寿命、氧空位浓度以及光电电极晶体结构。通过这种多模态方法，研究了典型的赤铁矿（α-Fe₂O³）光电电极。

研究发现，赤铁矿中靠近微观结构裂缝的区域具有更好的光电化学响应，并由于最佳的氧空位浓度而减少了反向电子复合。此外，薄膜厚度和光照时间的延长也影响局部活性。研究强调了即使在看似均匀的光电电极中，微观结构对于理解活性的重要性。

图文导读

图1：多模态相关显微镜设置示意图。

图2：通过扫描聚焦的532纳米光源，允许在样品的不同区域局部测量光电流密度，并通过瞬态反射显微镜（TRM）将光电流密度与空穴寿命相关联。

图3：在赤铁矿光电电极的裂缝区域及其邻近区域的光电催化反应，通过光学和扫描电镜（SEM）图像展示了裂缝和邻近裂缝区域，并通过对这些区域的EDX光谱分析来确定元素组成。

图4：通过差分光谱反射率和X射线近边吸收微光谱（μ-XANES）测量，探讨了裂缝附近氧化物空位和化学结构的特性。

图5：光电阳极厚度对活性的影响，通过原子力显微镜（AFM）扫描揭示了不同厚度区域，并测量了这些区域的光电流密度。

图6：进一步探讨了厚度对空穴动力学、氧化物空位和局部结构的影响，通过TRM和Raman成像技术进行了分析。

总结展望

本研究通过原位多模态显微成像技术，揭示了微观结构和化学缺陷对光（电）催化剂性能的显著影响。特别是，赤铁矿光电电极中裂缝附近的区域，由于氧空位浓度的优化，表现出更高的光电化学性能。此外，薄膜厚度对电荷载流子的传输和复合过程也有重要影响。

研究结果表明，通过精确控制材料的微观结构，可以显著提高光电催化剂的性能。未来的工作需要进一步开发新的测量方法以跟踪缺陷动态，并在更长时间尺度上关联薄膜形貌与OER机制。此外，研究中观察到的光驱动的缺陷迁移、分离现象为提高光电催化剂性能提供了新的策略。

文献信息

标题：Correlating activities and defects in (photo) electrocatalysts using in-situ multi-modal microscopic imaging

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47870-9

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