强制对流界面吸附氧(*O)动力学解析：揭示析氧反应过电位调控新机制

本研究通过开发多组分强制对流电化学质谱(MFC-MS)技术，成功构建了具有特定覆盖度的O标记电化学界面，首次实现了析氧反应(OER)过程中不同O转化路径(O-O与O-OH)的实时追踪。研究发现铂(Pt)表面O偶联路径贡献率高达48%，通过调控*O覆盖度平衡其形成与转化可进一步降低OER过电位至196mV，为设计高效电催化界面提供了新思路。

　　

在绿色能源技术蓬勃发展的今天，析氧反应(Oxygen Evolution Reaction, OER)作为电解水制氢、CO₂还原等关键电催化过程的阳极反应，其缓慢的动力学过程和高过电位已成为制约能源转换效率的瓶颈。传统研究认为，吸附氧(O)作为OER的关键中间体，其转化路径主要包括吸附物演化机制(Adsorbate Evolution Mechanism, AEM)和氧化物路径机制(Oxide Path Mechanism, OPM)，但不同O转化路径对过电位的具体贡献始终未能明确。Zhixuan Chen等研究者发表在《Nature Communications》的工作，通过创新性技术手段揭开了这一"黑箱"之谜。

研究团队开发了多组分强制对流电化学质谱(Multi-component Forced Convection Electrochemical Mass Spectrometry, MFC-MS)这一核心技术，结合微流控芯片(500μm反应层厚度)构建稳定层流，通过同位素标记(¹⁸O)和剥离式伏安法实现了*O覆盖度的精确控制。采用电化学石英晶体微天平(EQCM)定量吸附物种，密度泛函理论(DFT)计算验证能垒变化，并设计RuO₂-Pt等双金属串联催化剂验证机制。

MFC-MS构建强制对流界面

通过光刻工艺制备硅-石英微通道电化学池，在雷诺数36.25(流速4cm/s)下实现稳定层流。Pt溅射聚四氟乙烯膜(Pt-mem)电极在交替通入H₂¹⁸O/H₂¹⁶O时，质谱信号完全切换，证实可实时追踪*O转化。

同位素标记揭示异常分馏

剥离式伏安法显示³⁶O₂、³⁴O₂过电位较总体OER分别低35mV和16mV，而³²O₂高42mV。动力学同位素效应(KIE=1.41)校正证实该现象源于*O转化路径差异，非晶格氧参与(DEMS验证)。

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覆盖度调控转化路径

EQCM测定质量-电荷比(M/z)显示：1.2V预氧化时M/z≈8，对应O单层覆盖(0.42mC/cm²)。DFT计算发现O覆盖度升至0.75ML时，O-OH决速步能垒(ΔGOOH)升至3.36eV，而O-O能垒下降，促使机制转向OPM。

双金属界面设计突破极限

在RuO₂引入Pt作为O-O促进剂，使OER过电位降至196mV，突破AEM理论极限(370±100mV)。火山图分析表明，对AEM主导界面增强O-O贡献效果显著，而固有OPM活性界面需平衡*O形成与转化。

该研究通过原创性技术实现了电化学界面过程的"原子级观测"，建立了*O转化路径与过电位的定量关系。提出的串联催化剂设计原则，为开发高效OER催化剂提供了新范式，对推进电解水制氢等清洁能源技术具有重要指导意义。工作彰显了原位表征技术与理论计算的深度融合在揭示复杂电催化机制中的关键作用。