新技术可高通量监测单纳米颗粒电化学反应

近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授钟锦辉团队发展出一种傅里叶变换宽场电化学高光谱成像技术（FT-WEHI），并实现了对数百个单纳米颗粒电化学反应过程的原位、高通量、同步监测。两项研究成果分别发表于《高端科学仪器》和《美国化学会—纳米》杂志。

研究示意图。南方科技大学供图

电化学界面广泛存在于电催化、锂离子电池、传感等关键能源与化学过程之中。由于电极表面常具有空间非均一性，不同区域的颗粒尺寸、形貌和组分可能存在显著差异，其电化学活性也随之不同，电化学界面还会随时间和外加电位持续演化。因此，发展能够在宽视场范围内实时获取空间与光谱信息的原位成像技术，对于理解和调控复杂电化学过程具有重要意义。

传统高光谱成像通常依赖逐点扫描或波长调谐，难以兼顾成像速度、视场范围和光谱信息的同步获取，限制了其在快速、非均一电化学反应监测中的应用。

为此，研究团队将基于平移楔块的相同脉冲编码系统（TWINS）与高速二维相机相结合，构建了傅里叶变换宽场电化学高光谱成像平台（FT-WEHI）。

该方法通过扫描TWINS中的楔形晶体改变两束散射光之间的时间延迟，并持续在相机上进行宽场成像和记录，再经傅里叶变换重建每个空间位置的散射光谱，实现了在较短时间内同时对大量单纳米颗粒光谱测量的目的。

与传统技术相比，FT-WEHI能在宽视场内同步获取大量随机分布纳米颗粒的二维空间图像和光谱信息，显著提升了单颗粒电化学研究的实验效率。该技术可以在光致发光光谱、暗场散射光谱、透射/吸收光谱和拉曼光谱等多种光谱测量模式下切换。FT-WEHI在光致发光和暗场散射模式下获得的光谱的峰位、峰形和线宽与商用光栅光谱仪所获得的光谱高度吻合。

研究表明，FT-WEHI可持续地以8秒的间隔获取一个完整的高光谱数据立方体，并在一次实验中同步记录数百个单纳米颗粒的暗场散射光谱变化。相较于传统电化学方法的整体电流变化，该方法能够为每个单颗粒构建类似线性伏安曲线的“光学伏安图”，从而直接在单颗粒尺度上分析反应进程。此外，研究团队还阐明了纳米颗粒形貌对电化学反应路径的重要影响，及FT-WEHI对单颗粒电化学结构演变的解析能力。

该方法能够快速获得高通量的高光谱数据集，未来有望与机器学习等数据驱动策略结合，加速催化、能源和生物等领域的材料开发和机理研究。