郑海梅教授Nature：原位TEM检测固液界面原子动力学

一、【科学背景】

带电固液界面（ESLIs）在与能源、生物学和地球化学相关的各种电化学过程中发挥着关键作用。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可以显著影响催化机制和反应产物。因此直接探测ESLIs的原子动力学非常重要。然而，由于固液界面被液体电解质掩埋，并且在液体中进行原位成像的技术空间分辨率有限，所以直接探测ESLIs的原子动力学具有较大的挑战性。

二、【创新成果】

近期，美国劳伦斯伯克利国家实验室郑海梅教授团队在Nature上发表了题为“Atomic dynamics of electrified solid-liquid interfaces in liquid-cell TEM”的论文，开发了用于原位TEM表征的先进电化学聚合物液体电池（PLCs），能够直接监测Cu催化CO₂电还原反应（CO₂ERs）过程中ESLIs的原子动力学。本研究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。实时观察和理论计算的结合揭示了一种由电荷激活的与电解质表面反应引起的非晶化介导的重构机制。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。 

本研究设计开发了的先进的原位聚合物电化学液体池，实现了技术上的突破，将原位电化学研究带入了原子分辨时代。基于新型原位电化学液体池进行了Cu催化的CO₂还原，直接观测了带电固-液界面在电催化反应过程中的原子动态，发现了在金属催化剂表面存在扰动的类液态非晶中间相，其调节了催化剂表面的重组以及催化剂和电解液之间的质量传输。

图1  液态非晶态界面的表征实验装置和表征 © 2024 Springer Nature

非晶界面经历两种类型的动态行为：（1）它沿着结晶铜表面流动；（2）非晶界面和结晶铜相互转化，使结晶铜原来光滑的表面变得粗糙。

图2  液态非晶态界面的动态行为 © 2024 Springer Nature

图3  ESLIs上的Cu重构和溶解的原子动力学 © 2024 Springer Nature

图4  非晶界面形成和晶态铜表面重构的机制 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，本研究开发了一种先进的高分辨率电化学液体电池，可以在TEM下原位观察Cu催化的CO₂电还原反应中的电气化固液界面的原子动力学。研究人员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。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。本研究的原位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。

原文详情：Atomic dynamics of electrified solid-liquid interfaces in liquid-cell TEM (Nature 2024, 630, 643-647)

本文由大兵哥供稿。