【仪表网 研发快讯】近日，东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料与器件工程实验中心的张袁健教授团队开发了一种基于时间依赖电化学发光的局域pH检测技术，首次实现了析氧反应过程中催化剂表面质子动态的亚秒级实时监测。相关成果以“Measurements of Local pH Gradients for Electrocatalysts in Oxygen Evolution Reaction by Electrochemiluminescence(通过电化学发光测量析氧反应中电催化剂的局部pH梯度)”为题在化学领域国际权威学术期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)在线发表。
全球碳中和目标推动绿氢技术成为研究热点，析氧反应作为水电解的关键半反应，其动力学缓慢的核心挑战源于多电子转移过程慢和质子生成机制不明确。众所周知，作为一种最基本的化学物质，质子浓度变化在维持生命体系酸碱平衡、调控免疫反应、影响重大疾病组织微环境等方面发挥了极其重要的作用；类似地，质子浓度变化对电催化剂的活性位点、表面结构和稳定性也具有深远的影响。因此，精确获取析氧反应电催化剂局部质子浓度的实时变化，对理解析氧反应机制和改善催化剂活性至关重要。
传统电化学表征技术和表面增强光谱等方法原则上可以检测质子浓度，然而受限于检测空间、灵敏度、选择性、响应时间和析氧电位高等苛刻条件，目前鲜有电催化析氧反应局部质子浓度梯度的动态检测，使得析氧反应本征电化学活性的评估和催化机制的精确理解面临巨大挑战。
东南大学张袁健教授团队长期从事氮化碳的结构调控与分子传感研究，提出将二维氮化碳与高灵敏质子响应染料进行分子嫁接，能量转移效率接近100%，不仅赋予了染料分子优异的电化学发光特性，还利用前者的化学惰性提升了染料分子在苛刻析氧工况条件下的稳定性，进而成功构建了质子快速响应的电化学发光探针，为实现析氧过程中质子浓度梯度的原位动态检测奠定了物质基础。
该研究首次以亚秒级时间分辨率测量了析氧催化剂局部质子浓度梯度，发现在3分钟内催化剂表面质子浓度激增高达5个数量级，并揭示了局部高浓度质子积累是引起电催化剂性能衰减的关键因素。该研究开创了局域 pH 检测的新范式，为理解电催化机制及优化催化剂设计提供了新思路，有望助力推动实现碳达峰与碳中和的目标。
本工作的第一作者分别为东南大学化学化工学院博士生王宇，硕士生周思佳、博士生郑永军，以及石河子大学化学化工学院硕士生王永吉为共同第一作者，张袁健教授和陈然副教授为共同通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金的资助。
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