周敏、逯乐慧研究员课题组通过构建氮原子皮肤层碳纳米锥电极实现了非动态单颗粒电化学观测

高时空分辨下对纳米单体进行结构与效能的精准测量是现代测量科学发展的必然要求。单体碰撞电分析技术能够表征纳米单体物理结构和化学活性，实现个体特性而非样本平均化性质的测量。该技术基于超微电极和纳米颗粒胶体形成的分析体系，在电极上记录溶液中颗粒布朗运动形成的随机碰撞电化学反应事件，实现单颗粒水平上的许多物理和化学性质（如尺寸、孔隙率、表面电荷、催化活性等）的测量。然而，电极材料表面对颗粒弱的吸附作用导致高效电子通讯难以实现，实验上单颗粒碰撞电化学信号的读取一直是个难题。

中科院长春应用化学研究所周敏课题组与逯乐慧课题组以碳纳米锥电极作为开发平台，通过高温氮掺杂制备了氮原子皮肤层碳纳米锥电极。氮原子与金属颗粒之间的强电子结构相互作用增强了金属颗粒与电极表面的吸附作用，实现了非动态单颗粒电化学观测。该电极表面具有好的平整度和优秀的导电性,可有效捕获着陆于电极表面的颗粒并形成稳固电子连接。他们系统考察了非弹性碰撞下Ag/ Au单颗粒的电化学氧化溶解和Pt单颗粒的电催化放大事件。颗粒尺寸的电化学测量结果同动态光散射仪与电子显微镜等物理表征高度一致。暂态事件（如持续时间、库伦电量、阶梯电流）的统计分析证实了电极表面对颗粒的强粘附能力，也符合DFT电子结构计算的颗粒-电极吸附能模型预测。

图1 氮原子皮肤层碳纳米锥电极上非弹性碰撞的单个金属颗粒的电化学氧化和电催化放大事件，可以量化分析颗粒大小并预测氮原子皮肤层碳纳米锥电极对金属颗粒的粘附性。

此工作利用原子皮肤层电极解决了金属颗粒的非动态电化学测量难题，实现了电极表面工程从分子水平到原子尺度的递进，赋予其多功能性（如优良导电性、充分化学惰性、特定吸附性）。碳材料掺杂具备很强拓展性，该策略有望用于不同杂原子（氮硫磷硼等）皮肤层碳电极的制备和研究体系的拓展。

论文第一作者为长春应用化学研究所博士生刘辰，通讯作者为长春应用化学研究所周敏研究员和逯乐慧研究员。详见：Min Zhou, Lehui Lu, Chen Liu, Jianan Xu, Han Gao. Nitrogen-skinned Carbon Nanocone Enables Non-dynamic Electrochemistry of Individual Metal Particles, Science China Chemistry, 2022, doi:10.1007/s11426-022-1305-3）。

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通讯作者简介

周敏 中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。2005年7月毕业于吉林大学化学系，获学士学位; 2012年7月毕业于中国科学院长春应用化学研究所，获博士学位。2013~2019年先后在西安大略大学、纽约城市大学、德州大学奥斯汀分校以及莱斯大学做博士后研究。2020年4月在中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室工作，任“超分辨电化学”课题组组长，主要从事超分辨电化学基础与应用研究以及先进科研装备研制。

逯乐慧 中科院长春应用化学研究所研究员。1997年于山东聊城大学获学士学位；2000年和2003年于中科院长春应用化学研究所分别获硕士和博士学位；2003~2007年先后在德国和日本做博士后；2007年4月回国于中科院长春应用化学研究所工作至今。主要从事与谱学相关纳米传感材料的构筑与性能研究，强调基于谱学技术的纳米传感材料优化、调控及相关的基础科学问题，推动新材料体系在纳米传感器中的实际应用。