电化学分析领域最新Angew: 单颗粒电化学中表面应力效应的探究

【导读】

颗粒催化剂的表面应力被认为是调控催化反应活性的有效策略之一，深入理解两者的相关性对于进一步开发高效的催化剂具有重要的意义。当前纳米催化剂电催化活性评价主要基于复合电极，其结果包含了导电碳粉、粘合剂等添加剂的贡献。因此，有必要在单颗粒水平表征催化剂的本征催化活性并进一步建立本征构效关系。扫描电化学池显微镜(SECCM)作为一种新兴的扫描探针电化学成像技术，采用微液滴反应器实现微区电化学过程的测量表征，通过共定位的界面成像可以实现单颗粒水平的结构-活性关系研究。在此，作者利用SECCM实现了单个Pd纳米晶电催化析氢反应研究，通过对比具有不同表面应力的纳米晶析氢反应行为，直接探究了催化剂表面应力对反应活性作用。

图1：单个Pd纳米晶颗粒的SECCM测量示意图

【成果掠影】

近日，东华大学陈前进研究员课题组与中国科学技术大学的曾杰教授合作在国际知名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表了题为《》（Exploring the Strain Effect in Single Particle Electrochemistry using Pd Nanocrystals）的研究论文。作者首先合成了尺寸相近、晶面取向相同的单分散Pd 八面体和二十面体并将其离散的分散在玻璃碳电极表面。利用扫描电化学池显微镜技术，实现单个Pd纳米晶表面电化学析氢反应的测量。基于单颗粒析氢反应极化曲线，计算得到反应电流密度和TOF值。统计结果表明，在–0.87 V vs RHE 电位下，Pd 八面体和Pd 二十面体析氢反应平均电流密度分别为–1929 and –4002 mA·cm-2，TOF值分别为4427 and 9178 s-1，后者表现出更为优越的活性。进一步结合共定位的扫描电子显微成像（SEM），建立颗粒结构与本征活性的直接关联。

【数据概览】

图2：玻碳基底上单个Pd纳米晶颗粒的SECCM电化学成像

图3：单个Pd纳米晶颗粒的电催化析氢性能比较

【成果启示】

基于晶格参数和表面应力理论计算，Pd 二十面体（111）晶面中心区域存在明显的拉伸应力，而八面体表面没有应力。作者认为催化剂的这种局域应力是造成其更高HER活性的原因。该工作为催化活性对表面应力的依赖性提供了直接的证据，并为广泛探究应力效应对电催化反应的调控提供了新的研究策略。

原文详情：

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202304424

本文由赵骄供稿