近日，我院王穎教授團(tuán)隊(duì)在Nature子刊Nature Communications上發(fā)表了題為“Adsorbed oxygen dynamics at forced convection interface in the oxygen evolution reaction”的論文。論文提出了一種基于微流體控制技術(shù)的電化學(xué)擴(kuò)散層組分調(diào)控策略，開發(fā)了一種多組分強(qiáng)制對流的原位電化學(xué)質(zhì)譜技術(shù)（MFC-MS）。該技術(shù)利用超薄電解液的層流特性，在電化學(xué)過程中準(zhǔn)確調(diào)控?cái)U(kuò)散層中吸附態(tài)氧（*O）和游離水同位素豐度，形成特定覆蓋度的*O標(biāo)記界面，通過氧氣的同位素分餾解析了析氧反應(yīng)（OER）路徑對過電位的作用機(jī)制。本研究為揭示電化學(xué)中間體的轉(zhuǎn)化路徑提供了新思路。
該研究以具有強(qiáng)制對流特性的微通道電化學(xué)池為核心，結(jié)合原位電化學(xué)質(zhì)譜和程序化流體控制系統(tǒng)構(gòu)筑了MFC-MS（圖1a）。通過光刻技術(shù)構(gòu)造的微流控芯片將電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域限制在一個(gè)極薄的層（500 μm）內(nèi)，極低的雷諾數(shù)使得電解液在微通道電化學(xué)池中以強(qiáng)制對流的層流運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散層組分的精確控制（圖1b, c）。這樣的強(qiáng)制對流界面使得在循環(huán)伏安曲線掃描的過程中能夠快速的切換擴(kuò)散層中游離水的同位素豐度，實(shí)現(xiàn)界面吸附物種的標(biāo)記（圖1d）。
圖1. 在MFC-MS控制的強(qiáng)制對流界面下在線觀察OER。a. MFC-MS操作模式示意圖；b. 微通道電化學(xué)池的圖像和尺寸；c. 微通道電化學(xué)池的制造過程示意圖；d. 在MFC-MS中，電解液中H216O和H218O切換時(shí)的循環(huán)伏安曲線和相應(yīng)的質(zhì)譜信號。
利用類溶出伏安法產(chǎn)生不同的氧氣同位素分餾實(shí)現(xiàn)對*O轉(zhuǎn)化過程的追蹤。在H218O中對電極界面進(jìn)行預(yù)氧化實(shí)現(xiàn)*O的同位素標(biāo)記，隨后將電解液組分迅速切換為H216O，并進(jìn)行陽極極化（圖2a）。在極化過程中，不同質(zhì)荷比的O2具有不同的起始電位，18O18O、16O18O和16O16O依次析出（圖2b）。首先，預(yù)氧化的18O發(fā)生分子間偶聯(lián)形成36O2。隨后被H216O親核攻擊，產(chǎn)生34O2。最終，水的再裂解和額外的電子轉(zhuǎn)移使32O2在更高的過電位下產(chǎn)生。通過對類溶出伏安不同階段的電解液進(jìn)行穩(wěn)定同位素分析，確定O2中的18O來源于界面氧（圖2c）。此外，預(yù)氧化后的甲醇氧化實(shí)驗(yàn)證明了界面氧物種的生成（圖2d）。
圖2. 類溶出伏安法實(shí)現(xiàn)的界面氧同位素標(biāo)記產(chǎn)生O2分餾。 a. 基于MFC-MS的類溶出伏安對*O進(jìn)行同位素標(biāo)記的示意圖；b. 類溶出過程中，18O18O、16O18O和16O16O的O2的歸一化部分電流；c. 類溶出伏安的不同階段，電解液的同位素豐度；d. 不同預(yù)氧化電位形成的氧物種對甲醇氧化的影響。
我院博士生陳志軒為論文第一作者，論文合作者還包括我院博士生林澤、朱曉宇和李亞輝。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中央高校基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金的資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63181-z
