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综述:单实体电化学:利用先进扫描探针电化学技术揭示纳米颗粒行为
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年05月23日 来源:Current Opinion in Electrochemistry 7.9
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这篇综述系统阐述了扫描探针电化学技术(SECCM、EC-STM、EC-AFM)在单实体电化学(SEE)研究中的突破性进展,通过多模态联用策略实现了纳米颗粒(NPs)尺寸、形貌与表面反应活性的原位关联分析,为电催化机理研究提供了原子级分辨率的技术平台。
单实体电化学:纳米世界的精密观测术
Abstract
尖端电分析技术的革新使得单纳米颗粒(NPs)行为研究成为可能。扫描探针显微镜(SPM)技术家族——扫描电化学细胞显微镜(SECCM)、电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)和电化学原子力显微镜(EC-AFM)——通过互补协作,实现了NPs尺寸、形貌与电子结构的同步解析。SECCM凭借微米级空间分辨率完成局部电化学分析,而EC-STM/EC-AFM则能捕捉电催化反应中活性位点的动态变化。这种多技术联用策略正在重塑单实体水平的结构-活性关系认知。
Introduction
单实体电化学(SEE)通过超微电极捕获瞬态电流信号,将研究尺度推进至单个NPs甚至分子层级。SECCM作为核心技术,与EC-STM、EC-AFM的光学探针联用,揭示了Pt、Au等贵金属NPs在电催化中的动力学机制。这种关联测量技术为理解电极-电解质界面过程提供了全新维度。
Advances and applications of SECCM techniques
SECCM通过多显微技术关联分析,建立了表面结构-活性的纳米级映射。最新研究证实,Au NPs的催化活性与其晶面取向存在直接关联。该技术还能动态追踪NPs在CO2还原反应中的溶解-再沉积过程,分辨率达10 nm。
Advances and applications of EC-STM technique
EC-STM在电化学环境下实现了原子级成像,成功解析了Pt NPs在氧还原反应(ORR)中的表面重构现象。研究发现,Cu NPs在析氢反应(HER)中会形成亚稳态表面氧化物层,这一发现革新了对过渡金属催化剂失活机制的理解。
Advances and applications of EC-AFM technique
EC-AFM通过纳米级形貌测绘,揭示了Pt NPs表面粗糙度与催化活性的线性关系。在锂离子电池研究中,该技术实时观测到SEI膜在NPs表面的异质成核过程,为电极材料优化提供了关键依据。
Opinion, future research directions, and conclusion
当前技术仍面临灵敏度提升(检测限需达10-18 A)和时空分辨率协同优化的挑战。未来发展方向包括:开发新型杂化探针实现电化学-光谱联测,建立人工智能辅助的实时数据分析流程。这些突破将推动SEE在能源转换和生物传感等领域的应用边界。
Declaration of Competing Interest
作者声明无利益冲突。
Acknowledgment
研究受韩国国家研究基金会(MSIT)等项目资助。
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