劳伦斯伯克利国家实验室开发的一项新技术利用先进的显微镜在原子水平上研究电化学反应，揭示催化剂材料的详细变化，并为提高其效率和耐用性提供见解。
电化学反应是由电流引起或伴随电流流动的化学变化。它们是电池和燃料电池等技术的基础，推动光合作用等生物过程，并在地表下金属矿石的形成和分解过程中发生。
劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个团队开发了一种电池——一个可以容纳电化学反应所有成分的小型封闭室——它可以与透射电子显微镜(TEM)配合使用，以原子尺度精确观察反应。他们的设备被称为聚合物液体电池(PLC)，可以冻结以在特定时间点停止反应，使科学家能够使用其他表征工具观察反应每个阶段的成分变化。
资深作者郑海梅(左)和第一作者张秋波正在查看使用新技术获得的测量结果，该技术与伯克利实验室国家电子显微镜中心的强大显微镜配合使用。图片来源：Thor Swift/伯克利实验室
“这是一项非常令人兴奋的技术突破，表明我们以前无法做到的事情现在成为可能。液体电池使我们能够实时看到反应过程中固液界面上发生的事情，这是一种非常复杂的现象。我们可以看到催化剂表面原子在电催化反应过程中与液体电解质相互作用时如何移动并转变为不同的瞬态结构，”伯克利实验室材料科学部首席作者兼高级科学家 Haimei Zheng 说道。
论文共同第一作者、郑教授实验室的博士后研究员张秋波表示：“对于催化剂设计来说，了解催化剂的工作原理和降解方式非常重要。如果我们不知道催化剂失效的原因，就无法改进设计。我们非常有信心，这项技术将实现这一点。”
利用新技术探索铜催化剂
科学家们在铜催化剂系统上测试了 PLC 方法，该系统是一个热门的研究和开发课题，因为它可以将大气中的二氧化碳分子转化为有价值的碳基化学物质，如甲醇、乙醇和丙酮。然而，需要更深入地了解铜基 CO2 还原催化剂，以设计出耐用且高效生产所需碳产品而非非目标产品的系统。