电压如何驱动非金属催化剂进行电催化反应？

了解电压如何驱动纳米级电催化剂启动反应是一个基本的科学问题。由于非金属电催化剂的固有载流子浓度较低，导致其导电性较差，因此在处理非金属电催化剂时尤其具有挑战性。在非金属/溶液界面施加电压时，情况会比金属/溶液界面更加复杂。 其中一个值得注意的复杂性是非金属内部存在明显的电位下降，导致表面电位经常偏离背面电位。将经典金属模型应用于非金属来分析化学反应的驱动力可能会导致严重的误差。

到目前为止，区分非金属催化剂和 EDL 之间的电位分布仍然依赖于复杂的理论计算。由于缺乏原位技术，半导体-电解质界面上的实际电位降仍然未知。 此外，传统的电化学表征只能提供电极材料的集合信息，而忽略了催化剂电子结构的空间异质性。因此，亟需一种空间分辨的原位表征技术。

鉴于此，近期由中国科学院大连化学物理研究所、厦门大学、中国科学院大学、伦敦帝国理工学院的研究人员在《国家科学评论》上发表题为“Visualizing the role of applied voltage in non-metal electrocatalysts”的研究成果。

该研究自主构建了原位表面电位显微镜，并成功测量了不同电压下 2H 二硫化钼基底面的表面电位。这一成果解决了直接测量非金属/溶液界面电位分布的实验难题。研究结果凸显了半导体表面电位随外加电压变化的方式与金属的显著不同。

当电压从正向施加到负向施加时，半导体从保持稳定的表面电位转变为显示变化，逐渐与金属的行为相似。科学家们进一步阐明了半导体（ΔV _semn ）和双电层（ΔV _edI ）之间在不同外加电压下的电位降值差异。

他们生动地解释了在溶液环境中，半导体的费米级和带状结构是如何发生变化的，并展示了半导体向高导电性半金属的转变。

（a） 金属、半金属和半导体的原位表面电位测量设置和电极-电解质界面上的电位降示意图。（b）用0.1 m KSO的尖端测量ML二硫化钼，Au和溶液基面的表面电位值。

为了进一步研究电压在电催化反应中的作用，科学家们利用原子力扫描电化学显微镜（AFM-SECM）研究了二硫化钼上的电子转移（ET）和氢进化反应（HER）成像。在 ET 成像中，半导体的基底面表现出很强的电子转移能力，与半金属边缘的能力相当。然而，HER 成像显示基底面具有催化惰性。

纳米电化学成像结果表明，电压只影响 ET 步骤。由于基底面上没有氢吸附位点（即化学位点），电压无法驱动基底面上的电子进一步参与化学反应。这项工作基于对电压如何在纳米尺度上作用于非金属催化剂的理解，为合理设计高效的非金属电催化剂铺平了道路。

参考文献

Ziyuan Wang et al, Visualizing the role of applied voltage in non-metal electrocatalysts, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad166

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