近日，课题组在国际顶级期刊美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）上发表了“Electrochemical interfacial catalysis in Co-based battery electrodes involving spin-polarized electron transfer”的研究论文，该研究通过整合微观和光谱分析、原位磁性测试技术以及密度泛函理论计算，开发了一项研究电化学驱动过程中电极材料电子结构动态变化的方案。不仅可以激励下一代电池先进电极材料的开发，还为诸多能量转换和存储体系中重要的电催化过程的监测开辟了新的机遇。
《PNAS》于1914年创立，是与《Nature》、《Science》、《Cell》齐名的，世界上被引最多的综合性、跨学科连续出版物之一。PNAS主要刊载世界尖端的研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、观点展示、学术论文以及美国科学院学术动态报道等，所涵盖学科领域主要为生命科学、自然科学、社会科学。它作为一种权威综合性科技期刊为大家所熟知。
图1 Co(OH)2/Li电池中电化学界面催化反应过程示意图。
日益增长的全球能源需求促使人们追求更高性能和更具成本效益的能源技术。电化学界面催化通常存在于各种与能量相关的装置中，如可充电二次电池、燃料电池、光催化器件，它可以降低能量势垒，从而提高电化学性能。界面催化反应通常伴随着电极材料的动态演变，如相变/形态转变、表面/体相重排和转化反应。电化学驱动的结构和组成演变使这些过程变得复杂，这就要求发展先进的表征技术来探测实时的化学/物理环境从而揭示详细的界面催化反应机制。过渡金属和金属氧化物由于具有较高的催化活性和优异的选择性，在各种电化学反应过程中得到了广泛的应用。在过去的几十年里，尽管这些材料的电化学催化反应被广泛探索，但直接观测工况条件下电子结构的动态演变和理解背后的反应机制仍然是一个重大挑战。
为了揭示这一关键科学问题，该工作对典型的Co(OH)2/Li电池体系进行了深入研究，并取得了重大突破。结合微观、光谱分析、原位磁性测试技术和密度泛函理论计算阐明了Co基电极材料中涉及自旋极化电子转移的电化学界面催化反应全过程（图1），揭示了电化学驱动演化过程中的局部化学、电子结构，以及它们与电化学性能的联系。以Co(OH)2为模型电极，监测不同施加电压下的Co金属中心。结果发现在典型的界面催化反应进行之前，由于自旋极化电子的注入，金属Co纳米颗粒/LiOH界面处首先出现自旋极化表面电容并存储界面电荷。随后，金属Co纳米颗粒作为催化活化中心，通过转移这些贮存的电子来促进LiOH的界面分解。最有趣的是，在LiOH分解电位下，反应过程中涉及电子的转移导致金属Co纳米粒子的电子结构呈现出周期性动态变化。这项工作提供了一种可行的方法来获取界面催化过程中的关键信息，并为监测更广泛电化学系统中的复杂界面提供了有力的工具。此外通过建立电极动态结构演变与电化学性能之间的联系来帮助优化界面催化剂，从而为构建下一代能源系统开辟了一条新的途径。