通过耦合原子发射光谱电化学与石英晶体微天平技术对界面质量及溶解路径的定量研究

《ACS Electrochemistry》：Operando Quantification of Interfacial Mass and Dissolution Pathways by Coupled Atomic Emission Spectroelectrochemistry and Quartz Crystal Microbalance

　　

摘要

在界面电化学研究中，定量分析电化学电荷在溶解过程和表面膜形成过程中的分配情况仍然是一个重大挑战，因为在实际操作条件下，很难同时对溶解态物质和表面吸附物质进行定量测定。在此，我们提出了一种结合原子发射光谱电化学与石英晶体微天平的技术平台（AESEC-QCM），该平台能够通过同时测量电子转移、元素溶解以及界面质量变化，实现对电化学反应的定时定量分析。以铜作为经典的电化学模型体系，我们证明了在电沉积和脉冲阳极溶解过程中，法拉第电荷、溶解铜的流量以及通过石英晶体微天平检测到的质量变化之间存在定量一致性。通过对停留时间分布的分析，可以区分界面本身的动力学过程与流动电池内的流体动力效应，从而更准确地解读短暂的溶解反应。这种原位检测方法为研究合成自来水中的铜氧化过程提供了定量依据，在该过程中，溶解和表面膜形成是同时发生的。通过AESEC-QCM联合分析发现，铜的氧化是通过铜离子的溶解和Cu₂O表面层的形成同时进行的。随后通过柠檬酸缓冲液中的化学溶解实验，进一步验证了氧化物成分和含量的准确性，从而实现了电化学转化过程与化学转化过程之间的质量-电荷平衡。研究结果表明，这种结合了AESEC-QCM的技术方法能够以纳米摩尔级的灵敏度直接且定量地区分溶解态反应路径和表面吸附反应路径。更为广泛地说，该方法为研究涉及溶解和表面转化同时发生的复杂电化学系统提供了通用的一站式原位分析平台，这类系统包括多组分合金、转化涂层以及电催化材料。

? 2026 美国化学学会