固-液电化学界面（SLEI）是电化学领域中普遍存在的一种重要的电化学界面，主要发生电化学能的传递和转换。了解SLEI在反应时的动态演化对于阐明电催化机理和优化设计先进的电催化剂以实现高效的能量转换和存储具有重要意义。近日，中科大Weiren Cheng，刘庆华副研究员报道了通过将尖端的动态现场原位（Operando）同步傅立叶变换红外（SR-FTIR）和X射线吸收精细结构（XAFS）光谱相结合，在原子水平上确定了在电化学氧还原反应（ORR）中，单原子Ni在SLEI处一般演化为近自由原子态。
文章要点
1）原子分散的Ni1-NC催化剂具有稳定的平面配位结构和低自旋d8电子构型，适合于研究电化学过程中SLEI的电子结构和微观反应机理。
2）通过XAFS技术对原子结构敏感，研究人员揭示了工作条件下孤立Ni活性中心的局域原子配位和电子构型的电位驱动演化以及活性中心上氧基中间体的同步演化，这可以通过SR-FTIR光谱获得的官能团指纹有效地识别出来。研究发现SLEI上的单原子Ni倾向于在反应过程中从氮碳衬底上动态释放出来，然后形成一个接近自由的、孤立的锯齿状活性中心（Ni1(2-δ)+N2）。
3）研究发现，孤立的锯齿状Ni1(2-δ)+N2活性中心促进了氧分子（O2）的吸附和解离，从而在界面双电层内形成了关键的*O中间体。因此，O*-Ni1N2中间体的产生克打破常规ORR速率决定步骤，从而实现了有效的4e-电还原反应。
4）所制备的单原子Ni催化剂实现了迄今报道的在碱性溶液中具有最佳ORR性能。在0.92 V的半波电势下，具有约3400 A gmetal-1的高质量活性和约1600 h-1的高周转频率（TOF），是基准Pt/C催化剂的数十倍。
这项研究为揭示SLEI的其他重要动态演化步骤铺平了道路，例如析氢，析氧和CO2还原等反应动力学。
Hui Su, et al, Dynamic Evolution of Solid-Liquid Electrochemical Interfaces over Single-Atom Active Sites, J. Am. Chem. Soc., 2020
DOI: 10.1021/jacs.0c04231
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04231
