【儀表網 研發快訊】近日，東南大學化學化工學院、江蘇省富碳材料與器件工程實驗中心的張袁健教授團隊開發了一種基于時間依賴電化學發光的局域pH檢測技術，首次實現了析氧反應過程中催化劑表面質子動態的亞秒級實時監測。相關成果以“Measurements of Local pH Gradients for Electrocatalysts in Oxygen Evolution Reaction by Electrochemiluminescence(通過電化學發光測量析氧反應中電催化劑的局部pH梯度)”為題在化學領域國際權威學術期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)在線發表。
全球碳中和目標推動綠氫技術成為研究熱點，析氧反應作為水電解的關鍵半反應，其動力學緩慢的核心挑戰源于多電子轉移過程慢和質子生成機制不明確。眾所周知，作為一種最基本的化學物質，質子濃度變化在維持生命體系酸堿平衡、調控免疫反應、影響重大疾病組織微環境等方面發揮了極其重要的作用；類似地，質子濃度變化對電催化劑的活性位點、表面結構和穩定性也具有深遠的影響。因此，精確獲取析氧反應電催化劑局部質子濃度的實時變化，對理解析氧反應機制和改善催化劑活性至關重要。
傳統電化學表征技術和表面增強光譜等方法原則上可以檢測質子濃度，然而受限于檢測空間、靈敏度、選擇性、響應時間和析氧電位高等苛刻條件，目前鮮有電催化析氧反應局部質子濃度梯度的動態檢測，使得析氧反應本征電化學活性的評估和催化機制的精確理解面臨巨大挑戰。
東南大學張袁健教授團隊長期從事氮化碳的結構調控與分子傳感研究，提出將二維氮化碳與高靈敏質子響應染料進行分子嫁接，能量轉移效率接近100%，不僅賦予了染料分子優異的電化學發光特性，還利用前者的化學惰性提升了染料分子在苛刻析氧工況條件下的穩定性，進而成功構建了質子快速響應的電化學發光探針，為實現析氧過程中質子濃度梯度的原位動態檢測奠定了物質基礎。
該研究首次以亞秒級時間分辨率測量了析氧催化劑局部質子濃度梯度，發現在3分鐘內催化劑表面質子濃度激增高達5個數量級，并揭示了局部高濃度質子積累是引起電催化劑性能衰減的關鍵因素。該研究開創了局域 pH 檢測的新范式，為理解電催化機制及優化催化劑設計提供了新思路，有望助力推動實現碳達峰與碳中和的目標。
本工作的第一作者分別為東南大學化學化工學院博士生王宇，碩士生周思佳、博士生鄭永軍，以及石河子大學化學化工學院碩士生王永吉為共同第一作者，張袁健教授和陳然副教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學基金的資助。
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