Operando EC-STM揭示了電化學(xué)控制下的原子尺度表面動(dòng)力學(xué)，了解電極表面如何在電化學(xué)控制下演變對(duì)于在電化學(xué)界面建立結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系至關(guān)重要。電化學(xué)掃描隧道顯微鏡（EC-STM）使這成為可能，使原子尺度的可視化電極表面操作-直接相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化與施加的電位在真實(shí)的時(shí)間。
在這里，我們使用成熟的Au（111）/H2SO 4模型系統(tǒng)演示了我們的操作EC-STM平臺(tái)的功能。該基準(zhǔn)突出了EC-STM如何提供動(dòng)態(tài)表面重構(gòu)的空間和時(shí)間分辨信息，這些信息僅通過常規(guī)電化學(xué)測(cè)量是無法獲得的。
Au（111）/H2SO 4體系是表面科學(xué)中表征的電化學(xué)界面之一，使其成為新平臺(tái)的理想基準(zhǔn)。我們的研究集中在電化學(xué)雙電層區(qū)域，下面的金氧化的發(fā)病，循環(huán)伏安法（CV）顯示與表面重建和硫酸鹽吸附的提升相關(guān)的特征。通過將電化學(xué)控制與高分辨率STM成像相結(jié)合，我們將這些伏安特征直接連接到真實(shí)空間的表面變換。
在浸沒后的陰極電位（-0.3 V/Pt）下，EC-STM圖像顯示出由單原子臺(tái)階分隔開的大的、有序的臺(tái)階——這是重建的Au（111）表面的特征。隨著電極電位在陽極方向上步進(jìn)，出現(xiàn)明顯的形態(tài)變化：島的形成和不斷發(fā)展的臺(tái)階邊緣出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的循環(huán)伏安圖中的功能。
在Au（111）電極上在0.1 M H2SO 4中以不同電位記錄的EC-STM圖像（300 x 300 nm）的示例
第一個(gè)伏安峰（~ 0.25V/Pt）與稀疏的金島的出現(xiàn)相關(guān)，標(biāo)志著重建提升的開始。第二個(gè)峰（-0.15 V/Pt）伴隨著越來越多地覆蓋階地的小的單原子島的進(jìn)一步生長。在更高的陽極電位（-0.05V/Pt）下，觀察到更少但明顯更大的島。
這些觀察結(jié)果與人們熟知的重構(gòu)提升機(jī)制一致：重構(gòu)的Au（111）表面比未重構(gòu)的表面具有更高的原子表面密度。當(dāng)重建被解除時(shí)，多余的金原子被轉(zhuǎn)移到表面并重新組裝成島嶼。Au（111）表面在H2SO4中的伏安圖，顯示出歸因于表面重構(gòu)提升的峰動(dòng)力學(xué)在恒定電位下的時(shí)間分辨成像顯示，在電化學(xué)電流恢復(fù)到接近零之后，表面動(dòng)力學(xué)持續(xù)很長時(shí)間。在從-0.2 V/Pt到-0.15 V/Pt的電位階躍之后，連續(xù)的EC-STM圖像顯示在僅從電流測(cè)量看起來穩(wěn)定的條件下，在幾分鐘的過程中島成核、生長和溶解。這直接說明了傳統(tǒng)電化學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵限制：電流測(cè)量在整個(gè)電極上進(jìn)行空間平均，并且不攜帶關(guān)于局部、正在進(jìn)行的結(jié)構(gòu)重排的信息。EC-STM使這些隱藏的動(dòng)態(tài)變得可見。
連續(xù)的EC-STM圖像（150 x 150 nm）說明了通過步進(jìn)樣品電勢(shì)開始后表面重構(gòu)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)
綜合來看，這些結(jié)果說明了operando EC-STM作為表征工具的兩個(gè)核心優(yōu)勢(shì)：
直接的結(jié)構(gòu)-電化學(xué)相關(guān)性：伏安特征可以明確地分配給特定的表面轉(zhuǎn)化，而不是從間接信號(hào)推斷。
訪問隱藏的動(dòng)態(tài)：電化學(xué)沉默的表面過程（對(duì)電流或電荷測(cè)量不可見）在真實(shí)的空間和真實(shí)的時(shí)間中是可直接觀察的。
平臺(tái)功能除了這一基準(zhǔn)系統(tǒng)，EC-STM平臺(tái)還被應(yīng)用于電催化、能量轉(zhuǎn)換和功能電極材料等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域，了解真實(shí)條件下的動(dòng)態(tài)表面行為至關(guān)重要。該平臺(tái)圍繞可定制的液體池設(shè)計(jì)而構(gòu)建，可保持與恒電位儀和STM控制器的標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)適應(yīng)各種樣品幾何形狀、材料和電解質(zhì)條件。
用于流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)電解質(zhì)交換的集成液體管路在電位控制下進(jìn)行填充和成像，從與電解質(zhì)接觸的第一時(shí)刻起保持表面狀態(tài)氬氣或氮?dú)庀聹y(cè)量的保護(hù)氣體環(huán)境密封的惰性傳送梭，可將樣品直接從手套箱無空氣傳送到EC-STM
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