通訊作者：Raj Pandya

通訊單位：法國索邦大學

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光（電）催化劑利用陽光來驅動化學反應，如水分解。限制光催化劑發展的一個主要因素是物理化學的不均勻性，這導致了空間依賴性反應。爲了找到結構和功能的關聯，需要在微觀長度尺度和寬範圍的時間尺度（ns到s）上同時探測電化學環境。

本研究開發了一種原位（光學）顯微鏡技術，用于觀察和關聯局部電化學活性、空穴壽命、氧空位濃度以及光電電極晶體結構。通過這種多模態方法，研究了典型的赤鐵礦（α-Fe2O3）光電電極。

研究發現，赤鐵礦中靠近微觀結構裂縫的區域具有更好的光電化學響應，並由于最佳的氧空位濃度而減少了反向電子複合。此外，薄膜厚度和光照時間的延長也影響局部活性。研究強調了即使在看似均勻的光電電極中，微觀結構對于理解活性的重要性。

圖文導讀

圖1：多模態相關顯微鏡設置示意圖。

圖2：通過掃描聚焦的532納米光源，允許在樣品的不同區域局部測量光電流密度，並通過瞬態反射顯微鏡（TRM）將光電流密度與空穴壽命相關聯。

圖3：在赤鐵礦光電電極的裂縫區域及其鄰近區域的光電催化反應，通過光學和掃描電鏡（SEM）圖像展示了裂縫和鄰近裂縫區域，並通過對這些區域的EDX光譜分析來確定元素組成。

圖4：通過差分光譜反射率和X射線近邊吸收微光譜（μ-XANES）測量，探討了裂縫附近氧化物空位和化學結構的特性。

圖5：光電陽極厚度對活性的影響，通過原子力顯微鏡（AFM）掃描揭示了不同厚度區域，並測量了這些區域的光電流密度。

圖6：進一步探討了厚度對空穴動力學、氧化物空位和局部結構的影響，通過TRM和Raman成像技術進行了分析。

總結展望

本研究通過原位多模態顯微成像技術，揭示了微觀結構和化學缺陷對光（電）催化劑性能的顯著影響。特別是，赤鐵礦光電電極中裂縫附近的區域，由于氧空位濃度的優化，表現出更高的光電化學性能。此外，薄膜厚度對電荷載流子的傳輸和複合過程也有重要影響。

研究結果表明，通過精確控制材料的微觀結構，可以顯著提高光電催化劑的性能。未來的工作需要進一步開發新的測量方法以跟蹤缺陷動態，並在更長時間尺度上關聯薄膜形貌與OER機制。此外，研究中觀察到的光驅動的缺陷遷移、分離現象爲提高光電催化劑性能提供了新的策略。

文獻信息

標題：Correlating activities and defects in (photo) electrocatalysts using in-situ multi-modal microscopic imaging

期刊：Nature Communications DOI：10.1038/s41467-024-47870-9