微纳电催化器件的反应窗口问题

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

微纳电催化器件作为一种新型微区表征技术，能够实现微米尺度活性位点识别、外场精确调控以及催化剂-电解质界面原位监测等功能，近年来引起了广泛关注。然而在实际测试中，对于同一种材料，微纳电催化器件通常会表现出很大的性能偏差。近日，湖南大学何勇民课题组揭示了微纳电催化器件中反应窗口会引起电导问题，并开发了一种垂直电荷传输策略用于解决非金属性催化剂测量过程中的性能偏差问题。

本研究中，作者首先介绍了微纳电催化器件的结构演变，强调了反应窗口的重要作用：防止金属电极参与反应、使反应只发生在感兴趣区域、精确测量电催化面积，但反应窗口的引入又可能会导致催化剂无法有效受到双电层调制作用，切断电荷传输通道，导致性能下降（图1）。

图1. 反应窗口在片上微纳电催化器件中的作用

作者以单层MoS₂作为模型催化剂，使用原位电学/电催化测量技术表征全开窗口与半开窗口的HER性能。实验结果表明，单层MoS₂全开窗口器件催化性能与电导率都显著强于半窗口器件（图2）。这一现象也适用于多层MoS₂以及OER催化剂WSe_1.8Te_0.2纳米片。

图2. 非金属性催化剂的原位电学/电化学测量

作为对比，金属性催化剂并未观察到类似的现象，这是由于金属性材料电导率几乎不受双电层调制（图3）。综上，作者证明了反应窗口在非金属催化剂中会导致严重的电导问题（图4）。基于此，作者进一步提出了电荷垂直传输策略，克服非金属性催化剂表面迟缓的平面电荷传输效率。大量微纳电催化器件测试结果表明，垂直电荷传输器件的性能偏差明显小于平面传输器件（图5）。本工作揭示了微纳电催化器件中反应窗口引起的电导问题，并开发了一种垂直电荷传输策略用于消除非金属性催化剂测量过程中数据偏差问题，为电催化相关领域设计可靠稳定的微纳电催化器件提供了重要指导。

图3. 金属性催化剂的原位电学/电化学测量

图4. 反应窗口导致的电导问题

图5. 电荷传输途径优化

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是湖南大学博士研究生夏杭。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

The practice of reaction window in an electrocatalytic on-chip microcell

Hang Xia, Xiaoru Sang, Zhiwen Shu, Zude Shi, Zefen Li, Shasha Guo, Xiuyun An, Caitian Gao, Fucai Liu, Huigao Duan, Zheng Liu & Yongmin He 

Nat. Commun., 2023, 14, 6838, DOI: 10.1038/s41467-023-42645-0

何勇民博士简介

何勇民，湖南大学化学化工学院教授。2015于兰州大学取得博士学位，2015-2021年于新加坡南洋理工大学进行博士后研究，合作导师为刘政教授与王岐捷教授，2021年起就职于湖南大学。课题组欢迎博士后研究人员和博士生的加入。

课题组长期致力于模型催化（model catalysis）的研究，将微纳电子器件与电化学的相结合发展了“电化学+”的表征平台，为反应的微区、原位和精确分析发展了新的研究手段，拟多学科交叉视角理解催化机制和高效催化剂的设计。在相关领域发表SCI论文50余篇，包括以第一作者或者通讯作者发表的Nat. Mater., Nat. Catal., Nat. Synth. Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., ACS Nano等。入选国家高层次人才计划。

课题组网页：

http://www.heyongmin-group.com/ 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：课题组利用微纳电化学器件做了一点工作如开发了原位导电性测量技术，阐明了30余种半导体催化剂的导电性与催化反应类型的关系-“自门控效应”（Nat. Mater. 2019, 18 (10), 1098-1104.）;设计了新型微纳催化器件，揭示了活性位点的构效关系，单个晶界活性（Nat. Commun. 2020, 11 (1), 57.）和“单原子层”催化剂（Nat. Catal. 2022, 5 (3), 212-221.）。

本工作是基于前期研究基础开展，主要问题是做了大量器件，为什么同一材料同一窗口面积，性能就是不一样，有的好有的差。这看起来是一个工艺问题凭手感，但是又好像不限于此，应该有更深层的原因。在实际开窗口的时候，我们又会有一点疑惑，我们该怎么开，窗口位置离电极时越近越好，还是越远越好，截止于这篇工作前，还没有人详细的去讲这件事情。同时我们也注意到对于非金属性催化剂，导电性都很差，比如MoS₂，这种情况下如果窗口离电极远了，会不会对电荷传输有影响，沿着这个思路走下去，就有了这篇工作。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：这篇工作是电子学与电催化交叉的产物，如何在电催化过程中从电化学信号准确分离出电学信号，这在我们研究过程中是一个不小的挑战。另外微纳电催化器件是基于半导体电学器件发展起来的，对于很多从事宏观电催化领域工作的研究人员而言，半导体器件是一个非常陌生的领域，撰稿过程中我们该怎么去简洁又不失严谨性去讲述这篇工作，让大家都能看懂，同时能意识到在电催化反应中导电性是不容忽视的一点，这是我们遇到的另外一大挑战。