原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的应用进展

原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的应用进展

杨文峰

新疆众和股份有限公司   新疆乌鲁木齐   830000

摘要：在现代科学技术高速发展的背景下，电催化领域的研究日益受到人们的关注。电催化是电化学领域的重要分支，但是电催化反应过程涉及复杂的电子传递和界面反应，对其微观机制的理解一直是科学家们面临的挑战。因此，开发一种能够实时监测电催化反应过程，并揭示其反应机制的技术手段显得尤为重要。原位电化学扫描探针显微镜技术（In-situ Electrochemical Scanning Probe Microscopy, EC-SPM）作为一种新兴的表征手段，以其高分辨率、实时性强的特点，在电催化领域的应用中逐渐崭露头角。

关键词：电化学扫描探针显微镜； 电催化；应用进展

原位电化学扫描探针显微镜技术能够在电化学反应进行的同时，对催化剂表面的形貌、电子结构以及反应活性位点进行原位、实时的观测，为电催化反应的机理研究提供了有力的工具。近些年来，EC-SPM技术在电催化领域的应用取得了显著的进展，科学家利用EC-SPM技术深入研究了电催化反应的动力学过程，揭示了反应速率、电流密度等关键参数与催化剂表面结构之间的关系，还用于探索催化剂表面的活性位点，揭示了不同位点在电催化反应中的作用机制，为优化催化剂设计、提高电催化性能提供了理论支持。

一、原位电化学扫描探针显微镜技术概述

EC-SPM技术结合了电化学方法和扫描探针显微镜技术的优势，通过在SPM的探针上施加电位或电流，实现对电极表面电化学过程的原位观测，常用的扫描探针类型包括扫描隧道显微镜探针、原子力显微镜探针等，能够精确控制探针与样品之间的距离，进而在纳米尺度上探测和操纵样品表面的电化学行为。EC-SPM技术的核心在于将电化学工作站与SPM系统集成，实现电化学信号与表面形貌信息的同步采集。在实验中通常将待研究的电极作为样品，通过电化学工作站施加电位或电流，并利用SPM的探针在电极表面进行扫描，通过收集和处理扫描过程中产生的电化学信号和形貌信息，可以揭示电化学反应过程中电极表面的微观结构和动态变化[1]。

EC-SPM技术在多个领域具有广泛的应用价值，在能源转换与存储领域，EC-SPM技术可用于研究燃料电池、锂离子电池等电化学器件的电极反应过程，揭示其性能优化和失效机制；在腐蚀防护领域，EC-SPM技术可用于探究金属腐蚀过程中的微观机制和防护策略，为防腐材料的设计和应用提供指导；在生物电化学领域，EC-SPM技术可用于研究生物分子在电极表面的电化学行为，为生物传感器和生物能源器件的开发提供有力支持。

二、原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的具体应用

（一）电催化材料性能的原位表征

在电催化领域，原位电化学扫描探针显微镜技术为电催化材料性能的原位表征提供了有力的工具。该技术能够实时观测电催化过程中材料的表面形貌、电子结构以及电化学活性等关键参数的变化，从而深入理解电催化反应的机理。EC-SPM通过其高分辨率的扫描能力，可以在纳米尺度上观察电催化材料表面的微观结构，结合电化学测量技术，EC-SPM可以实时监测电催化反应过程中的电流、电位等电化学信号，从而揭示电催化材料在反应过程中的动态行为；还可以用于研究电催化材料的稳定性，通过对比反应前后的表面形貌和电化学性能，评估材料的耐久性，例如在燃料电池的研究中，EC-SPM被用于原位观察催化剂在电化学氧化过程中的形貌变化和活性位点分布。通过该方式，科研人员能够更准确地理解催化剂的性能，为优化催化剂的设计和制备提供重要依据[2]。

（二）电催化反应动力学的实时观测

EC-SPM技术在电催化反应动力学的实时观测方面具有显著优势，通过实时跟踪电催化反应过程中的表面电流、电位等参数，EC-SPM能够揭示反应动力学的基本规律，为电催化反应机制的研究提供重要信息。在电催化反应过程中，反应物的吸附、中间体的形成以及产物的脱附等流程、都受到表面电子结构和几何结构的影响。EC-SPM能够通过其高灵敏度的探测能力，实时监测流程的动态过程，从而揭示电催化反应的动力学特征，同时EC-SPM还可以结合其他光谱学技术，如拉曼光谱、红外光谱等，对电催化反应过程中的中间体和产物进行原位分析，进一步加深对反应机制的理解。通过EC-SPM技术对电催化反应动力学的实时观测，科研人员可以更准确地评估电催化剂的性能，优化反应条件，提高电催化反应的效率和选择性。

（三）电催化界面过程的研究

在电催化反应中，界面过程决定了反应的速率和效率，EC-SPM能够通过其独特的扫描和测量功能，深入探究电催化界面过程的微观机制。EC-SPM可以实时观察电催化界面上反应物、中间体和产物的分布和动态行为，结合电化学测量技术，EC-SPM可以揭示界面电位、电荷转移等关键因素对反应过程的影响，通过相关信息，科研人员可以深入理解电催化界面过程的本质，为优化界面设计、提高反应效率提供指导。与此同时，EC-SPM还可以用于研究电催化界面上的双电层结构和性质，双电层是电催化反应中电荷转移和物质传输的重要场所，其结构和性质对反应过程具有显著影响，通过EC-SPM对双电层的原位观测和分析，科研人员可以揭示双电层在电催化反应中的作用机制，为优化电催化性能提供新的思路。

三、原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的发展趋势

（一）高分辨率与高灵敏度的发展趋势

随着纳米科技的进步，EC-SPM技术的分辨率和灵敏度不断提高，使得研究者能够更精确地揭示电催化反应中的微观机制和界面过程。未来，EC-SPM技术将继续向更高分辨率和更高灵敏度的方向发展，以实现对电催化反应中单个分子或原子的实时观测和操控[3]。

（二）智能化与自动化的数据分析

在大数据和人工智能技术快速发展的推动下，EC-SPM技术的数据分析和处理能力将得到显著提升，未来EC-SPM技术将更加注重智能化和自动化的数据分析，通过引入机器学习算法和数据分析方法，实现对大量实验数据的快速处理和分析，有助于挖掘EC-SPM实验数据中的深层信息，揭示电催化反应中的复杂机制，为电催化领域的研究提供更加深入的认识。

（三）与其他技术的融合创新

未来EC-SPM技术将更加注重与其他技术的融合创新，以拓展其应用范围和提升应用价值，比如可以与纳米制造技术相结合，制备具有特定形貌和结构的电催化剂；可以与电化学工作站相结合，实现电化学信号与表面形貌信息的同步采集和分析；还可以与理论计算相结合，通过模拟和预测电催化反应过程，为实验研究和实际应用提供指导。

（四）环境友好型EC-SPM技术的发展

未来EC-SPM技术将更加注重环境友好型的研发和应用，通过采用低能耗、低污染的材料和工艺，减少对环境的负面影响，且EC-SPM技术将更加关注电催化反应中的绿色化学问题，通过优化反应条件和催化剂设计，实现电催化反应的绿色化和可持续发展。

结束语

综上所述，原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域已经取得多项应用成果，具有良好的应用优势，且在技术创新的推动下，未来原位电化学扫描探针显微镜技术将会更加先进，在电催化领域发挥出更为重要的作用。

参考文献

[1]李亚北,叶朝阳,刘禹霖,等. 扫描电化学显微镜在生物医学领域的应用研究进展[J]. 中国科学（化学）,2021,51(3):337-358. 

[2]廖晓波,庄健,邓亚楼,等. 一种基于扫描探针的微纳结构原位在线读写方法[J]. 机械工程学报,2021,57(5):148-156.

[3]汪圳. 扫描电化学显微镜研究铜基材料固体电化学行为及其电催化CO2还原性能[D]. 宁夏:宁夏大学,2023.