用于电催化的扫描探针显微镜

高效储能和转换装置的开发需要更深入地了解电催化剂的构效关系、电催化过程中的材料转化以及电极-电解质界面的复杂电化学过程。扫描探针显微镜（SPM）是一种强大的工具，可以在原位甚至操作的原子尺度上观察表面性质和局部电化学活性，因此在研究异质电催化机制中发挥着重要作用。基于SPM表面性质成像、原位/操作监测和纳米级电化学图谱的三个独特特征。

SPM的发展为探索储能和转换设备中的异质电催化过程的机制提供了前所未有的机会。它能够在原位甚至在操作中直接可视化原子尺度的表面性质和局部电化学反应性，因此在通过监测电催化剂表面转化和反应过程来研究电催化剂的表面性质方面是独一无二的。SPM在电催化中的应用原理也适用于研究锂离子电池等电池系统，其中SPM已被广泛用于研究固体电解质相间的生成和演化、Li枝晶生长和电性能变化。总之，SPM将继续在电催化中发挥重要作用，以指导先进能源设备的发展。

SPM在电催化中应用的未来途径可以是高时空分辨率的多功能原位/操作测量。具体而言，电催化剂的表面性质和活性的原子空间分辨率对于建立结构-性质-活性关系很重要。高速图像采集可以记录电化学动力学的详细电影，为电化学过程提供新的见解。电催化剂的多功能图谱，如同时进行的形貌-电荷和形貌-活性图谱，可以直接揭示结构-活性关系。在本文中，我们主要关注单个SPM仪器的多功能成像能力；这也可以通过组合多种形式的SPM来实现。STM-SEM、AFM-SECM、AFM-SICM和SICM-SECMare等混合技术都能够同时对形貌和电化学活性进行成像。不同SPM技术的结合可以利用单个SPM的优点来获得更好的成像能力。通过将互补光谱采样能力集成到SPM成像中，也可以获得多功能映射。例如，尖端增强拉曼光谱将拉曼光谱与SPM相结合，可以同时提供形貌和拉曼信号。它可以在空间上解析分子的分子振动特征，这使得人们能够更详细地了解非均相电催化剂和电化学反应过程。这些混合SPM在电催化研究中具有巨大的潜力。另一方面，原位/操作成像技术对电催化剂表面/界面在工作条件下的动态变化进行了成像，这为理解在高温下的电化学机理提供了前所未有的机会。此外，SPM原位/操作性测量电化学反应的环境更为复杂，必须考虑探针对电化学反应的影响。例如，尖端可以屏蔽界面处的扰动电化学反应。因此，应进一步利用复杂系统下的理论模拟来支持界面上的实验观测。总之，具有更好时空分辨率的多功能原位/操作SPM的不断进步将进一步加深我们对电催化机理的理解，促进电催化剂的合理设计，并优化电化学储能和转换装置中的电极反应过程。此外，最近提出了由人工智能驱动的自主SPM操作（DeepSPM）来进行连续数据采集，这使得使用人类操作几乎不可行的先进SPM方法成为可能。这也是SPM未来发展的一个重要方向¹。

1. Wang, Y.; Skaanvik, S. A.;  Xiong, X.;  Wang, S.; Dong, M., Scanning probe microscopy for electrocatalysis. Matter 2021, 4 (11), 3483-3514.

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