新技術為催化劑如何在原子水平上發揮作用提供了令人振奮的見解

由勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 領導的一個團隊發明了一種技術，可以用前所未有的分辨率在原子水平上研究電化學過程，並用它來獲得對一種常用催化劑材料的新見解。電化學反應——由電流流動引起或伴隨電流流動的化學轉化——是電池、燃料電池、電解和太陽能燃料產生等技術的基礎。它們也驅動著光合作用等生物過程，並在地表下金屬礦石的形成和分解過程中發生。

科學家們開發了一種電池——一個可以容納電化學反應所有組成部分的小型密閉腔室——可以與透射電子顯微鏡 (TEM) 配合使用，以生成原子尺度反應的精確圖像。更好的是，他們的裝置（他們稱之為聚合物液體電池 (PLC)）可以被冷凍，以便在特定時間點停止反應，因此科學家可以使用其他表徵工具觀察反應每個階段的成分變化。在 6 月 19 日發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，該團隊描述了他們的電池以及使用它來研究將二氧化碳還原以產生燃料的銅催化劑的原理驗證研究。

「這是一項非常令人興奮的技術突破，它展示了我們以前無法做到的事情現在已經成為可能。液體電池使我們能夠实时觀察反應過程中固液界面發生的情況，這些現象非常複雜。我們可以看到在電催化反應過程中，催化劑表面原子如何在與液體電解質相互作用時移動並轉化為不同的瞬態結構。」伯克利實驗室材料科學部的首席作者兼資深科學家 Haimei Zheng 說。

「了解催化劑是如何工作的以及它是如何降解的，對於催化劑的設計非常重要。如果我們不知道它是如何失效的，我們就無法改進設計。我們非常有信心，我們將看到這項技術實現這一目標。」Zheng 實驗室的博士後研究員、共同第一作者 Qiubo Zhang 說。

Zheng 和她的同事們很興奮能夠將 PLC 用於各種其他電催化材料，並且已經開始研究鋰離子和鋅離子電池中的問題。該團隊樂觀地認為，由 PLC 啟用的 TEM 揭示的細節可能會導致所有電化學驅動技術的改進。

對一種常用催化劑的新見解

科學家們在一種銅催化劑系統上測試了 PLC 方法，該系統是一個熱門的研究和開發課題，因為它可以將大氣中的二氧化碳分子轉化為有價值的碳基化學品，例如甲醇、乙醇和丙酮。然而，需要更深入地了解基於銅的 CO2 還原催化劑，以設計出耐用且能高效生產所需碳產品而不是脫靶產品的系統。

Zheng 的團隊使用伯克利實驗室分子鑄造廠一部分的國家電子顯微鏡中心強大的顯微鏡，研究了反應區內稱為固液界面的區域，在該區域中，具有電流的固體催化劑與液體電解質相遇。他們放入電池中的催化劑系統由固體銅和水中碳酸氫鉀 (KHCO3) 電解質組成。電池由鉑、氧化鋁和超薄的 10 納米聚合物薄膜組成。

研究人員使用電子顯微鏡、電子能量損失光譜和能量色散 X 射線光譜，捕獲了前所未有的圖像和數據，揭示了反應過程中固液界面發生的意想不到的轉變。研究團隊觀察到銅原子離開固體晶體金屬相，並與來自電解質和 CO2 的碳、氫和氧原子混合，在表面和電解質之間形成一種波動的非晶態，他們稱之為「非晶態中間相」，因為它既不是固體也不是液體。當電流停止流動時，這種非晶態中間相再次消失，大多數銅原子返回固體晶格。

據 Zhang 介紹，非晶態中間相的動力學未來可以被利用，以使催化劑對特定碳產品更具選擇性。此外，了解中間相將有助於科學家解決降解問題——所有催化劑的表面都會隨著時間推移而發生降解——從而開發出具有更長使用壽命的系統。

「以前，人們依賴於初始表面結構來設計催化劑的效率和穩定性。非晶態中間相的發現挑戰了我們以前對固液界面的理解，促使人們在制定策略時需要考慮其影響。」Zhang 說。

「在反應過程中，非晶態中間相的結構不斷變化，從而影響性能。研究固液界面的動力學可以幫助了解這些變化，從而制定適當的策略來提高催化劑的性能。」哈佛大學的博士後學者、共同第一作者 Zhigang Song 補充道。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。