文献club | Electrochimica Acta | AFM-SECM 原位观察石墨烯表面氢纳米气泡的形成

背景介绍

在许多电催化、光电催化能量转换和工业过程中都存在有产生气体的反应。电极上的气泡会钝化表面，增加过电位，减少有效反应面积，并阻碍氧化还原物质向活性位点传输。因此，加深对气泡动力学的基本理解有助于减少能量损失和提高整体能量转换效。由于析气反应主要发生在表面，因此气泡动力学对电极的表面特性高度敏感。

目前已有很多技术用于研究气泡动力学，例如高速摄影、原子力显微镜和扫描电化学细胞显微镜等，已经广泛研究了气泡在金属电极表面的成核和生长。然而，关于非金属电极表面的气体逸出性的研究仍然非常有限。在本文中，作者利用AFM-SECM研究了两种不同类型石墨烯表面的氢气泡的形成过程。

工作创新点

• 利用AFM-SECM研究石墨烯表面的氢气泡的形成过程

结果与讨论

图1 两种样品的AFM成像以及气泡图像；c-AFM测量样品表面的形貌，粘附力，电流

作者在两种样品上进行了实验，一种是将SiC C样品退火形成了具有褶皱和边缘的多层石墨烯，一种是表面平滑的HOPG。作者将两种样品在0.5 M 的H₂SO₄溶液中进行AFM-SECM （SG/TC模式）测试，可以看到样品表面有明显的气泡产生，区别在于在SiC样品上生成的都是纳米级的小气泡，而在HOPG表面生成气泡时需要更高的过电位以及会生成微米级别的大气泡。表明，氢气更容易在 SiC表面扩散出来，而在 HOPG表面上更容易停留下来。从c-AFM的实验结果来看，SiC表面表现出了更强的粘附力即更高的疏水性，在电流方面两者都在褶皱和边缘处表现出更强的活性。

图2 两种样品的原位电化学表征

从AFM-SECM的实验结果来看，SiC明显表现出比HOPG更强的反应电流即反应活性，并且边缘和褶皱部分会有更强的反应活性（分辨率受限并不能完全看出来），但探针在对表面气泡进行探测的时候，针尖末端的氧化反应(HOR)会与表面的HER反应产生竞争。可以明显看到当探针接近气泡顶端时，针尖收集到的电流明显减少。（这个实验反应出一个问题就是，AFM-SECM的测试过程中可能会对原本的体系反应产生影响）

结论

总的来说，作者用AFM-SECM仪器简单对两种石墨烯材料的HER过程进行了表征，具有亲水性的SiC会产生更多更小的气泡，这些气泡更容易离开表面，不会阻碍反应活性，相较于过电位较高且表面疏水的HOPG，SiC明显具有更高的反应活性。

In-situ observation of hydrogen nanobubbles formation on graphene surface by AFM-SECM

https://doi.org/10.1016/j.electacta.2024.144425

第一作者：Septia Kholimatussadiah

通讯作者：Li-Chyong Chen a,c,d,*, HeYun Du e,l,m,n,*

通讯地址：Department of Physics, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan