我院韩联欢副教授团队利用共定位多模态扫描电化学显微镜揭示光诱导界面电子转移反应驱动力

近日，我院韩联欢副教授与厦门大学化学化工学院詹东平教授团队、法国国家科学研究中心Alexander Oleinick研究员及法国巴黎高师Christian Amatore教授团队合作，在光诱导界面电子转移反应的微区定量表征及驱动力机制研究方面取得重要进展。

研究团队依托自主研制的共定位多模态扫描电化学显微镜，将原子力显微镜（AFM）、扫描开尔文探针显微镜（SKPM）、扫描接触力显微镜（SCFM）和扫描电化学显微镜（SECM）等技术进行集成，实现了同一微区形貌、Volta电势和界面电子转移动力学的共定位成像。以银纳米片/单层石墨烯（Ag/SLG）为模式体系，研究团队揭示了光生Volta电势与Ag/SLG界面内建Volta电势的协同作用机制，并结合有限元模拟定量建立了Volta电势与界面Galvani电势之间的关联，揭示了光诱导界面电子转移反应驱动力的物理起源。相关研究成果以“Tracing the Origin of Driving Force of Photoinduced Interfacial Electron Transfer Reaction by Colocated Scanning Electrochemical Microscopy”为题发表于国际权威学术期刊《Journal of the American Chemical Society》。

光诱导界面电子转移（PIET）反应是光化学反应、光电催化过程等体系的核心步骤。与经典电化学过程中通过恒电势仪施加电势驱动界面电子转移反应的机制不同，PIET反应的驱动力源于光场诱导所产生的催化剂表面的Volta电势。Volta电势进一步诱导催化剂/溶液界面重组，形成直接驱动界面电子转移的Galvani电势。然而，受限于现有表征技术的工作环境与空间分辨率，难以获取同一位点形貌、电势分布与反应动力学信息。由于没有厘清二者之间的内在关联性，导致光催化剂的理化性质和催化性能之间的“构效关系”不甚明了。打通光电催化剂的表面和界面之间的关联性，是光电催化领域研究的难题之一。

在基金委重大科学仪器研制项目的支持下，研究团队研制成功具有高时空分辨的共定位多模态扫描电化学显微镜，集成原子力显微镜（AFM）、扫描开尔文探针显微镜（SKPM）、扫描接触力显微镜（SCFM）、扫描电化学显微镜（SECM）以及光谱学测试模块和外场调制模块。如图一所示，该团队采用该技术，以六边形银纳米片/单层石墨烯（Ag/SLG）为模式体系，在同一Ag/SLG区域实现同步获得形貌、Volta电势与界面电子转移动力学的高分辨成像，揭示了多模态信息之间的定量关系。

图1 共定位AFM/SKPM/SECM多模态表征系统及Ag/SLG同一区域形貌、电势和电化学活性成像

研究表明，光照诱导SLG的π-π*跃迁与Ag的d带电子跃迁，导致Ag/SLG电极的费米能级同步正移，等效于在经典电化学体系中施加界面极化电势。而且，在不同光照强度下，由Ag和SLG本征功函差所决定的Ag/SLG边界的Volta电势差保持恒定。光生Volta电势（即光电效应）与Ag/SLG边界的内建Volta电势（即催化剂-载体相互作用）之间的叠加效应，显著地增强了PIET的反应动力学速率（即光电催化剂的催化性能）。结合有限元模拟，量化了Volta电势与Galvani电势之间的内在关系，论证了光生Volta电势是PIET反应的原始驱动力，为原位揭示催化剂/载体电子相互作用提供了定量方法。

共定位多模态扫描电化学显微镜具有普适性，可为物理外场诱导和调控的界面电子转移反应研究提供定量表征方法，为揭示催化剂与载体间的电子相互作用、理性设计高效催化体系提供科学支撑。

该研究工作在韩联欢副教授、Alexander Oleinick研究员和詹东平教授的共同指导下完成。厦门大学化学化工学院2025届博士毕业生南文静、2020届硕士毕业生刘璇、2023级博士研究生林佳阳为论文共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金（22021001、22202166、22132003、21827802）、111计划（B08027、B17027）等资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c19712