电催化硝酸盐还原过程中中间体演变与动力学的原位电化学发光成像

《Nature Communications》：Operando electrochemiluminescence imaging of intermediate evolution and kinetics in electrocatalytic nitrate reduction

　　

摘要

电催化硝酸盐还原（NO₃RR）为去除硝酸盐污染物和生产有价值的含氮化学品提供了一种可持续的途径。然而，在接近实际的稀薄条件下理解催化行为仍然充满挑战，因为传统的电化学测量依赖于集成平均信号，这掩盖了单个颗粒界面上的动态过程。在此，我们展示了一种原位电化学发光（ECL）显微策略，可在单颗粒水平上可视化和评估表观NO₃RR动力学。以Cu(111)纳米片作为模型催化剂，我们将反应诱导的光响应转化为硝酸盐吸附和中间体演化的空间分辨描述符。随时间变化的ECL响应揭示了亚硝酸盐——硝酸盐还原中的关键中间体——的生成与扩散。这些描述符提供了表观动力学映射，揭示了单个颗粒的显著动力学异质性。中间体扩散的相关成像表明，在稀薄硝酸盐条件下，颗粒间耦联通过调节中间体累积和界面传质影响表观催化性能。该策略提供了一个原位光学显微平台，用于可视化动态催化界面并将界面过程与表观催化性能联系起来。