研究进展：原位透射电镜，在电化学领域中的应用

原位透射电镜技术作为实时和高空间分辨观测工具, 是完善电化学过程监测、剖析机理、研究材料构效关系, 进一步提升电化学性能的有力手段. 厦门大学廖洪钢课题组在介绍原位液体电镜发展历程的基础上, 总结了近年来原位透射电镜技术在电化学沉积、电化学储能、电催化及电化学腐蚀中的应用研究, 并针对该技术目前存在的挑战和在电化学领域的进一步应用探索作了总结和展望。

透射电镜(TEM)因其超高的时间和空间分辨率成为化学、材料及其它相关学科领域的强大表征分析工具, 但高真空的实验环境很大程度上制约了它在液体领域的应用. 幸运的是, 现代微纳加工技术的迅速发展帮助其突破了只能观察薄的固体样品的局限, 衍生出基于液体池芯片的原位TEM技术, 同时利用该技术来研究液体中的化学反应也越来越受到人们的青睐与关注。

近年来, 液体池芯片的制作日益成熟, 发展出许多材料和结构不同的液体池, 如超高分辨率的石墨烯液体池, 氮化硅窗口液体池, 以及用途各异的功能化液体池: 流动液体池、加热液体池、电化学液体池等. 其中, 电化学液体池为原子尺度实时探索电化学反应过程中的结构和化学转变信息提供了契机。

厦门大学廖洪钢课题组描述了原位液体池的分类, 包括开放式液体池和封闭式液体池, 并重点介绍了集成附加功能的封闭式电化学液体池. 然后对原位TEM技术在电化学领域的相关应用研究进行了总结. 最后, 对该技术存在的发展挑战和应用前景进行了展望(图1)。

图1 原位透射电镜在电化学领域中的应用

目前, 原位TEM技术基于其原子尺度空间分辨率、动态过程观测、可在纳米甚至原子尺度上收集电极材料的结构和化学信息等特点, 无疑在电化学反应过程监测中具有显著优势, 但在进一步的发展研究中仍面临一些挑战。

首先是技术本身存在的可提升空间: (1)在保证液体池机械强度的基础上, 减小窗口薄膜的厚度, 以获取更高的空间分辨率; (2)为捕捉反应中间极短时间内的化学演变, 需要进一步完善快速成像功能; (3)构建光、热、电等多物理场耦合液体池, 探究耦合作用对电化学反应的影响; (4)合理设计电化学液体池, 形成原位合成、原位观察、原位检测一体化流程; (5)减小和控制电子束辐照对反应的影响等. 除此之外, 尽管人们已经不断在优化液体池结构设计以靠近传统电化学体系, 包括引入参比电极或考虑工作电极的电场分布的均匀性等, 但二者仍存在一定差异, 在原位液体池中由于纳米狭缝限域, 其中液体流动及溶质扩散会受到极大影响, 导致过度极化, 电位漂移, 电化学曲线变形等问题. 目前在液体池内进行电化学曲线测量以及精确匹配微区实际施加电位相对困难, 因此进一步的技术完善对于实现纳米尺度定量电化学是十分必要的. 同时, 现有结构设计对于CO2RR、OER等电催化反应过程中间体或产物检测存在困难, 也许可以对液体池和样品杆进行合适的结构设计, 辅以光谱等谱学技术联用, 进而实现更为准确的原位监控和机理探索, 对完善催化剂构效关系、设计先进反应路径具有较好的指导意义。

在TEM中构建微型纳米实验室, 进行电化学反应原位可视化研究, 可以获取过程中材料的微观形貌和结构信息, 并助力理解反应动态本质. 未来, 在微纳制造、电子显微学、电化学的强力发展融合下, 原位TEM技术将发挥越来越重要的作用,为电化学领域的新发现提供基础。

该文近期收录于《中国科学：化学》中国科学院学部前沿论坛——“高端电子电镀电子制造专题”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：

孙悦, 赵体清, 廖洪钢*. 原位透射电镜在电化学领域中的应用. 中国科学: 化学, 2021, doi:10.1360/SSC-2021-0074

文献链接：https://doi.org/10.1360/SSC-2021-0074

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/PIDcBsJoKfoLcmLTtym7-g

本文转载自“中国科学杂志社”。