Video-STM揭秘CO饱和覆盖的Pt(111)电极/溶液界面的空穴动力学
相对于其它金属单质，铂（Pt）对很多电极反应都是活性最高且稳定性较好的电催化剂。但是在真实的电催化系统（例如燃料电池）的强酸、强碱、高氧化或强还原等腐蚀环境中，Pt也会发生腐蚀与溶出。此外，强吸附质如一氧化碳（CO）或O等物种的存在也会加速这些腐蚀与溶出过程。从原子、分子尺度上了解这类电催化剂的腐蚀与溶出过程有望对理解Pt基电催化剂的结构-活性和结构-稳定性之间的关系以及指导合理地设计合成高效、高稳定性的Pt基催化剂提供具体的指导。
最近，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学物理系的陈艳霞教授课题组与德国基尔大学实验与应用物理研究所的Olaf Magnuseen教授合作，使用原位高速扫描隧道显微镜（Video-STM）在毫秒时间尺度上研究了Pt(111)在CO饱和的硫酸中的表面动力学行为。该研究揭示了室温下，被高动态表观(1 x 1)-CO吸附层1覆盖的Pt(111)表面在CO预氧化电势区间存在明确的表层Pt原子点缺陷，即部分Pt表层原子的从晶格脱出。这些点缺陷通常在Pt台阶边产生的，伴着表层CO吸附层的快速横向迁移，并可以在移动和固定两种动力学状态之间切换。表面空穴在电极重构过程中的作用正受到越来越多的关注2。本工作使用Video-STM首次直接观察到这种表面空穴及其在电化学环境中的动态行为，所得结果为揭示其形成机制的提供了直接证据。
成果以“Vacancy dynamics on CO-covered Pt(111) electrodes”为题，发表在《Chemical Communication》上（DOI: doi.org/10.1039/D0CC04046K）。这是该组继用EC-STM观察到CO能重构阶梯Pt晶面的台阶结构以及Pt(111)上CO吸附层在预氧化区间的高动态相变行为后1, 3，在相关领域的又一有趣发现。这一系列工作的第一作者是中国科学技术大学微尺度国家研究中心的魏杰同学。本研究得到了国家自然科学基金和留学基金委(CSC)的资助。
动态迁移的CO吸附层引起Pt(111)台阶波动和台阶处表面Pt原子空穴的形成/湮灭，
(111)平台位上表层Pt原子空穴伴着横向高速迁移的CO吸附层扩散
1. Wei, J. et al The Dynamic Nature of CO Adlayers on Pt (111) Electrodes. Angewandte Chemie 2020, 59, 6182 –6186.
2. Rost, M. J. et al The Dualism between Adatom-and Vacancy-Based Single Crystal Growth Models. Nat Commun 2019, 10, 1-7.
3. Wei, J. et al . Electrified Interfaces of Pt (332) and Pt (997) in Acid Containing CO and KI: As Probed by in Situ Scanning Tunneling Microscopy. The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122, 26111-26119.