由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个团队发明了一种技术，以前所未有的分辨率在原子水平上研究电化学过程，并利用它对一种流行的催化剂材料获得了新的见解。电化学反应——由电流引起或伴随的化学转化——是电池、燃料电池、电解和太阳能燃料发电等技术的基础。它们还驱动光合作用等生物过程，并发生在地球表面下金属矿石的形成和分解过程中。

科学家们已经开发出一种电池——一个可以容纳电化学反应的所有成分的封闭小室——它可以与透射电子显微镜(TEM)配对，以在原子尺度上生成反应的精确视图。更好的是，他们称之为聚合物液体电池(PLC)的设备可以在特定的时间点冻结以停止反应，因此科学家可以用其他表征工具观察反应每个阶段的成分变化。在6月19日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，该团队描述了他们的电池，并利用它来研究一种铜催化剂，这种催化剂可以减少二氧化碳以产生燃料。

“这是一个非常令人兴奋的技术突破，表明我们以前做不到的事情现在是可能的。液体电池可以让我们实时看到反应过程中固液界面发生了什么，这是非常复杂的现象。我们可以看到催化剂表面原子在电催化反应中与液体电解质相互作用时如何移动并转化为不同的瞬态结构，”伯克利实验室材料科学部的资深科学家、第一作者郑海梅说。

“对于催化剂设计来说，了解催化剂如何工作以及如何降解是非常重要的。如果我们不知道它是如何失败的，我们就无法改进设计。我们非常有信心，我们将看到这种技术发生，”郑实验室的博士后研究员，共同第一作者张秋波说。

郑和她的同事们很高兴将PLC应用于各种其他电催化材料，并且已经开始研究锂电池和锌电池的问题。该团队乐观地认为，plc激活的TEM所揭示的细节可能会导致所有电化学驱动技术的改进。

对一种流行催化剂的新见解

科学家们在铜催化剂系统上测试了PLC方法，铜催化剂系统是研究和开发的热门课题，因为它可以将大气中的二氧化碳分子转化为有价值的碳基化学物质，如甲醇、乙醇和丙酮。然而，需要对铜基二氧化碳还原催化剂有更深入的了解，才能设计出耐用且有效地生产所需碳产品而不是脱靶产品的系统。

郑的团队使用伯克利实验室分子铸铸厂国家电子显微镜中心的强大显微镜，研究了反应中被称为固液界面的区域，在这里，有电流通过的固体催化剂与液体电解质相遇。他们放入电池中的催化剂系统由固体铜和水中的碳酸氢钾(KHCO3)电解质组成。该电池由铂、氧化铝和超薄的10纳米聚合物薄膜组成。

利用电子显微镜、电子能量损失光谱和能量色散x射线光谱，研究人员捕获了前所未有的图像和数据，揭示了反应过程中固液界面的意外转变。研究小组观察到，铜原子离开固态的结晶金属相，与来自电解质和二氧化碳的碳、氢、氧原子混合，在表面和电解质之间形成波动的无定形状态，他们称之为“无定形间相”，因为它既不是固体也不是液体。当电流停止流动时，这种无定形间相再次消失，大部分铜原子回到固体晶格中。

根据Zhang的说法，未来可以利用非晶界面相的动力学来使催化剂对特定的碳产物更具选择性。此外，了解间期将有助于科学家对抗降解——随着时间的推移，所有催化剂表面都会发生降解——从而开发出具有更长的使用寿命的系统。

“以前，人们依靠初始表面结构来设计催化剂的效率和稳定性。无定形界面的发现挑战了我们之前对固液界面的理解，促使我们在制定策略时需要考虑其影响，”张说。

(左至右)美国国家电子显微镜研究中心(NCEM)研究员Peter Ercius，材料科学部(MSD)高级科学家郑海梅，美国国家电子显微镜研究中心科学工程师Karen Bustillo，美国国家电子显微镜研究中心博士后研究员张秋波在分子铸造中心的ThemIS原位显微镜下拍照。(资料来源:托尔·斯威夫特/伯克利实验室)

“在反应过程中，非晶态界面结构不断变化，影响性能。研究固液界面的动力学可以帮助理解这些变化，从而开发出合适的策略来提高催化剂的性能，”哈佛大学博士后学者宋志刚补充道。

其他作者有孙贤虎、刘洋、万嘉伟、Sophia。B. Betzler，郑琦，上官俊一，Karen。C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang和Yu Huang。资金由美国能源部(DOE)科学办公室提供。分子铸造厂是美国能源部科学办公室的用户设施。