電催化反應中的界面雙電層：理論、表征與應用

摘要：界面雙電層是電催化反應的核心區(qū)域。催化劑表面原子、反應物、中間體、產物、溶劑分子和離子等組分，共同構成了復雜的動態(tài)反應網絡。這種特殊的組成和結構賦予界面雙電層以特殊的性質，深刻地影響了電催化反應的路徑與結果。本文將以電催化反應中的雙電層為主要研究對象，圍繞雙電層理論模型及其歷史沿革、雙電層的實驗表征方法和雙電層對電催化反應的影響這三個方面，以若干電催化反應前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應之間的關聯(lián)，并介紹一些特定情形下電催化雙電層研究的研究方法和研究邏輯。

關鍵詞：電催化；雙電層；電極/電解液界面；理論模型；原位表征技術

中圖分類號：O643

1 引言

作為電化學的重要分支之一，電催化可便捷地通過電學方法調控反應的熱力學和動力學性質，使得物質轉化過程可在溫和條件下發(fā)生，在化工、環(huán)境和能源等領域都起著至關重要的作用。同時，可再生能源電力系統(tǒng)的普及以及“碳達峰、碳中和”的重要目標也催生了電催化體系的應用。隨著電催化領域和相關科學技術的蓬勃發(fā)展，電催化相關研究已逐漸從宏觀、孤立的研究視角向微觀、互相關聯(lián)的研究視角轉變，其中界面雙電層（EDL）這一古老的研究主題，得益于前人堅實的實驗和創(chuàng)造性的理論研究，以及多種原位表征技術和計算化學的發(fā)展應用，在百年后的今天重新煥發(fā)出生機與活力[1，2]。

界面雙電層是電催化反應的核心區(qū)域。在特定外加電壓下電極與電解質相接觸時兩相界面處帶電粒子（包括電子）和偶極子所受作用力與體相環(huán)境中有著巨大的差異，因而會發(fā)生重新排布，即正負電荷分離或者偶極子特定取向，形成組成、結構與性質都顯著有別于體相的帶電物種層[3]。由于界面會形成電荷相反的兩層帶電區(qū)域，故將此界面區(qū)域命名為雙電層。催化劑表面原子、反應物、中間體、產物、溶劑分子和離子等組分，共同構成了復雜的動態(tài)反應網絡。這種特殊的組成和結構賦予界面雙電層以特殊的性質，深刻地影響了電催化反應的路徑與結果[4]。例如，若雙電層電勢差為1 V，且雙電層厚度一般在0.1 nm–1 μm數(shù)量級范圍[5]，則存在數(shù)量級為104–108 V?cm?1的強界面平均電場。電場強度和電勢分布顯著改變了電催化反應的活化能，進而影響電極反應動力學。

因此，研究雙電層區(qū)域的界面結構與理化性質，特別是解析外加電勢下界面各組分的分布、雙電層內電勢變化的規(guī)律以及組分間特殊的相互作用方式，有利于研究反應機理、深入反應本質，從而為提升電催化反應的性能以及創(chuàng)造新的電催化反應性質提供新的思路，實現(xiàn)電催化反應的高效、精準調控。

本文以電催化反應中的雙電層為主要研究對象，首先介紹雙電層理論歷史沿革，給出被廣泛應用的雙電層理論模型及其理論發(fā)展，隨后介紹雙電層的研究方法和實驗表征手段，最后以若干電催化反應前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應之間的關聯(lián)，并介紹一些特定情形下電催化雙電層研究的研究方法和研究邏輯，希望幫助初入電催化領域的學生建立對雙電層的基本認知，熟悉常見的雙電層研究策略，并了解雙電層對電催化反應的重要影響。