Nature重磅：为电化学反应“拍拍照”！

带电固液界面，在与能源、生物和地球化学相关的各种电化学过程中起着关键作用。带电界面上的电子和质量传递可能导致结构改变，从而显著影响反应途径。例如，电催化剂在反应过程中的表面重组会对催化机理和反应产物产生实质性的影响。

尽管它很重要，但直接探测电偏置下固液界面的原子动力学是具有挑战性的，因为它被埋在液体电解质中，而且目前通过液体进行原位成像的技术空间分辨率有限。

在此，来自加州大学伯克利分校的郑海梅等研究者开发了用于透射电子显微镜(TEM)的先进聚合物电化学液体电池，研究者能够直接监测铜(Cu)催化CO₂电还原反应(CO₂ERs)过程中ESLIs的原子动力学。相关论文以题为“Atomic dynamics of electrified solid–liquid interfaces in liquid-cell TEM”于2024年06月19日发表在Nature上。

广泛的研究主要集中在界面上或界面附近物种的物理吸附和化学吸附。然而，ESLIs的微观细节，特别是其在电化学反应中的原子尺度结构演变，仍然不清楚。

在电催化中，例如在Cu催化的CO₂ER中，在ESLI上可能发生明显的表面重组和催化剂的溶解。然而，由于直接探测ESLIs原子动力学的技术挑战，强调结构修饰的机制尚未得到很好的理解。

先进的原位方法，如拉曼光谱、X射线散射技术、振动光谱、红外反射吸收光谱、扫描隧道显微镜等，已被用于研究电化学反应过程中平面或纳米粒子群的各种ESLIs。原位透射电镜允许在反应过程中跟踪单个纳米催化剂的演，但迄今为止，空间信息仅限于通过电偏压下的液体成像。

在这里，研究者介绍了新开发的高分辨率电化学聚合物液体电池(PLC)，它使电化学反应中ESI的原子分辨率成像成为可能。随着这一进展，研究者展示了以前未见过的CO₂ERs过程中ESLIs的类液体间相和原子动力学。

在这里，研究者开发了用于透射电子显微镜(TEM)的先进聚合物电化学液体电池，研究者能够直接监测铜(Cu)催化CO₂电还原反应(CO₂ERs)过程中ESLIs的原子动力学。研究者的观察揭示了一个波动的液体状无定形界面。它发生可逆的晶-非晶结构转变，并沿通电Cu表面流动，从而通过界面层介导结晶Cu表面重构和质量损失。

实时观察和理论计算的结合揭示了由电荷激活的电解质表面反应引起的非晶化介导的重组机制。通过利用原位成像能力，研究者的结果为探索原子动力学及其在涉及ESLIs的广泛系统中的影响提供了许多机会。

图1 波动类液非晶界面相的实验建立与表征。

图2 类液体非晶态界面的动力学行为。

图3 Cu在ESLI上重构和溶解的原子动力学。

图4 提出了非晶界面相形成和Cu表面重构的机理。

综上所述，通过先进的原位液电池TEM表征，研究者的直接成像揭示了电催化反应过程中ESLI的原子动力学。

揭示了金属催化剂表面波动的液态非晶界面相的形成，界面相动力学介导了催化剂表面重构。电催化反应下ESLIs的原子动力学为中间体的形成和催化剂表面重构提供了新的认识。

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与C₂H₄的选择性呈正相关。研究者的原位PLC TEM开发为研究广泛材料系统中电催化的原子机制提供了未来的可能性。

这些努力，可能为理解涉及ESLIs的动态原子结构和功能关系铺平道路，为通过调节固液界面来控制许多电化学反应奠定基础。

【参考文献】

Zhang, Q., Song, Z., Sun, X. et al. Atomic dynamics of electrified solid–liquid interfaces in liquid-cell TEM. Nature 630, 643–647 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07479-w

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