埃尔朗根-纽伦堡大学Nat. Mater.：理解液体电解质中电催化反应的模型

【引言】

未来，电催化是向可再生能源系统过渡的核心技术。大多数可再生能源的储能和转换技术都依赖于电催化过程。随着可再生能源的廉价电能不断增加，化学生产将会出现电气化。然而，电催化的基本理解还止步经典非均相催化领域。如何推进电催化领域的发展呢？新的研究策略是必不可少的。

【成果简介】

近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Olaf Brummel和Jörg Libuda（共同通讯）作者等人，获得了一种新的策略，来推进电催化材料的基础研究。作者采用表面科学方法制成的“电化”复杂的氧化物的模型催化剂，用来探索液体电解质中的电催化反应。本文将Pt/Co氧化物模型催化剂转移到电化学环境中，保持其原子表面结构，证明其可行性。同时，探索了粒子尺寸效应，确定未知的金属-载体相互作用，稳定了纳米粒子界面处的氧化铂。金属-载体相互作用，开启了一种新的协同反应途径，说明可采用一个系统的方法，来建立原子定义的模型电极，用于基础电催化研究。相关成果以“Electrifying model catalysts for understanding electrocatalytic reactions in liquid electrolytes”为题发表在Nature Materials上。

【图文导读】

图 1 在UHV中原位转移到电化学环境中，通电的的Pt/Co₃O₄（111）模型催化剂

（a）在Ir（100）上生长的（111）方向Co₃O₄催化剂的制备和表征图；

（b）将催化剂从UHV中，转移到电化学电池中和后面（左图：UHV制备系统，中图：在转移到电解质中的模型催化剂，右图：转移系统的示意图）；

（c）催化剂的结构稳定性和化学稳定性试验图（左图：Co₃O₄（111）膜的LEED图案和XPS（Co 2p）制备后的Pt/Co₃O₄（111）催化剂的STM图像和XPS，中图：Co₃O₄（111）/Ir（100）的电化学SFC/ICP-MS实验的稳定窗口。右图：在转移到电化学电池中Co₃O₄（111）膜的LEED图案和XPS（Co 2p）；STM图像和Pt/Co₃O₄（111）模型的XPS图）。

图 2  电化模型催化剂的尺寸效应图

（a）UHV的光谱图。（上图：在115 K下，用CO对饱和后的Co₃O₄（111）上的常规和超小Pt颗粒的IRRAS光谱进行比较图。底图：在115 K下，在Co₃O₄（111）上常规Pt NP上的CO吸附期间的IR光谱图）；

（b）电化学界面处的原位光谱图（上图：超小型Pt聚集体和Co₃O₄（111）上常规Pt NPs的电化学原位红外光谱对比图；底图：在Co₃O₄（111）上的常规Pt颗粒上CO的电化学原位IR光谱作为电极电位的函数图）。

图 3 电化模型催化剂中，电子金属-载体相互作用图

（a）UHV中的光谱图（底图：SR-XPS谱图，在Pt/Co₃O₄界面形成氧化的Pt物质，与金属Pt共存图。顶部图：在CO模型催化剂饱和后，115K下，氧化的Pt位点弱吸附的CO，以新的CO谱带为特征的IR光谱图）；

（b）电化学界面处的原位光谱图（左上图：在重复CO吸附和电氧化循环后获得的电化学原位IR光谱图；右上图：超小颗粒最强，而传统颗粒更小；左下图：制备后和电化学处理后的XPS光谱比较图； 右下图：在Pt/Co₃O₄（111）和Pt（111）上的CO电氧化过程的循环伏安图）。

【小结】

本文通过表面科学方法，将复杂但原子级的模型催化剂转移到电化学环境中，同时保持其原子表面结构。在Ir（100）单晶上，制备的有序Co₃O₄（111）膜上的Pt NP组成。利用这表面科学的结构可变性，探索电催化反应中的粒子尺寸效应和金属-载体相互作用。在亚纳米体系中，Pt聚集体的吸附CO的位置占据显着变化。同时，Pt/Co₃O₄体系中的电子金属-载体相互作用导致在金属-载体界面处形成氧化的Pt物质。这些氧化Pt可以很容易地还原和回收，进而打开一个新的协同反应路径。这项研究通过表面科学方法制备的复杂模型催化剂的“电化”，是一种新的系统方法来设计复杂，但原子定义的电催化基础研究模型系统。这种方法可能有助于弥补电化学表面科学与实际电极研究之间的“材料差距”，从而为复杂电催化材料性能的纳米级现象，提供新的见解。

文献链接：Electrifying model catalysts for understanding electrocatalytic reactions in liquid electrolytes（Nature Materials, 2018, DOI: /10.1038/s41563-018-0088-3）。

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