[Nature Communication] 单颗粒电化学暗场光谱表征新进展

发布日期:2020年05月25日   浏览次数:

任斌教授课题组在电化学单颗粒暗场光谱表征新装置的研究中取得重要进展,相关研究以“Observing atomic layer electrodeposition on single nanocrystals surface by dark field spectroscopy”为题发表于Nature Communications (Nat. Commun., 2020, doi: 10.1038/s41467-020-16405-3)

从单颗粒水平研究电化学表面和界面过程,特别是欠电位沉积是电化学领域的一个重要挑战。欠电位沉积通常仅涉及单原子层到亚单原子层的物种,但是能够显著调控金属表面电子结构,是制备高效电催化剂的一个重要的方法。然而目前在电化学环境下表征单个粒子表面单层原子的变化仍然是个巨大的挑战,因此对欠电位沉积机理的理解及应用还主要停留在理想的单晶表面,难以扩展到纳米催化剂表面。

针对上述挑战,任斌教授课题组发展了一套高灵敏的电化学暗场散射光谱装置,在不使用特殊光源的情况下,可以使得检测的粒径小至10 - 15 nm,灵敏度提高到亚单层原子。他们利用该装置从单颗粒水平原位表征了具备{111}基础晶面的纳米八面体和具有{100}基础晶面的纳米立方体表面的欠电位沉积过程。首次观测到了单个粒子表面亚单层至单层原子的电沉积过程,并获得了单个粒子表面欠电位沉积的准确电位及其分布。进而利用散射光谱直接构建了单个纳米粒子的电化学循环伏安曲线(CV, CV曲线不受双电层充电以及氧还原等过程的影响,突破了传统电化学方法难以单个纳米颗粒CV特性的局限,为深入理解纳米粒子表面的欠电位沉积机理以及实现单层原子沉积的精确调控提供了重要的实验支撑。该方法还可以用于构建具有复杂晶面的纳米粒子的CV曲线,表征单个粒子表面不同晶面上的单层原子电沉积过程,为实现在原子尺度上选择性修饰纳米材料表面的不同晶面提供了指导。而且通过所获得的CV曲线能够精准地定量出单个粒子表面不同晶面的面积比。该方法若和具有高时空分辨的光谱仪器联用,将能更为高效、快速筛选纳米催化剂及表征其表面结构。

该工作是在任斌教授指导下,主要由我院已毕业博士生胡树(第一作者)完成。李剑锋教授及其课题组的博士生张月皎在单晶电化学实验上提供了重要帮助。已毕业博士生易骏在理论计算方面提供了有力支持。该研究工作得到了国家自然科学基金委和科技部等的资助和支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16405-3