Angew. Chem. ：尺寸接近和小于单个反应物种的电极用于埃尺度电化学行为研究

长期以来，研究者们不断探索电化学规律随着反应电极尺度缩小的变化。相关研究在当今电化学技术逐渐逼近单粒子极限的情况下尤为重要。有前期结果表明，如果可以将电化学电极尺寸缩小至极限，即接近甚至小于单个反应物粒子，此时的电化学行为相较现有的微纳电极理论将有本质性的差异。然而，系统研究电化学随电极尺寸的演化规律需要在原子尺度连续、精准地调控电极尺寸。相关电极的制备不仅超出了现有微纳加工技术的精度极限，也受到传统材料表面粗糙度的限制，因而极具挑战。

近日，厦门大学的胡晟教授和曹阳教授通过在单原子精度连续地从微米至埃尺度调控电极尺寸，实现了埃尺度电化学的研究。这种电极是将不同厚度的石墨烯封装在绝缘的氮化硼晶体内，而仅暴露出石墨烯的边缘作为反应电极。通过控制石墨烯的层数即能精准控制电极尺寸。

实验结果表明，石墨烯电极上电化学反应的极限电流密度表现出明显的尺寸效应。当电极厚度小于反应离子的水合直径时，改变电极厚度不影响极限电流密度。这是由于电极表面所有的可用空间都被密堆积的反应物种占据。只有当电极厚度大于单个反应离子的水合直径时，才会产生额外的反应位点。此时，极限电流密度突增。显然，这种极限电流随电极尺寸突变的现象是埃尺度电极上的独有行为。随着电极厚度继续增大至百纳米尺度，传统的三维扩散理论描述的电化学极限电流显著小于实验中的观测值。深入研究表明，反应物可以沿着氮化硼边缘表面向石墨烯边缘扩散，从而为反应传质提供了除溶液扩散的额外通路。当电极厚度大于100nm，极限电流密度可以用传统的三维连续扩散模型很好地描述。

另一个埃尺度电极上独有的现象是，即使处于极限电流的条件下，反应仍存在势垒且该势垒的大小与反应产物价态的绝对值成正比。这一结果表明，反应产物与电极之间的静电相互作用使得产物难以从电极表面脱离。该行为在空间上阻碍了后续反应物与电极表面的接触，并决定了埃尺度电极的电化学反应速率。

总之，该工作通过研究电化学反应随电极尺寸的演变规律，为埃尺度电化学的深入开展提供了实验平台。一系列传统理论未能预见的新行为在该尺度下被发现，包括电极表面的反应物种占据、空间位阻效应和表面扩散。相关结论有望为埃尺度电化学的进一步开展提供实验依据。

论文信息

Angstrom-Scale Electrochemistry at Electrodes with Dimensions Commensurable and Smaller than Individual Reacting Species

Lijun Zhou, Chongyang Yang, Dr. Xiaohui Yang, Prof. Jie Zhang, Cong Wang, Wei Wang, Mengyan Li, Xiangchao Lu, Dr. Ke Li, Huiping Yang, Han Zhou, Prof. Jiajia Chen, Prof. Dongping Zhan, Prof. Vladimir I. Fal’ko, Prof. Jun Cheng, Prof. Zhongqun Tian, Prof. Andre K. Geim, Prof. Yang Cao, Prof. Sheng Hu

文章的第一作者是厦门大学博士研究生周丽君和杨重阳，通讯作者是胡晟教授和曹阳教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202314537