测定单个氧化钴纳米粒子的催化活性

不含贵金属的纳米粒子在未来可以作为强大的催化剂，例如用于制氢。为了优化它们，研究人员必须能够分析单个粒子的特性。波鸿鲁尔大学 (RUB) 电化学中心和杜伊斯堡埃森大学 (UDE) 无机化学研究所的一个团队为此提出了一种新方法。

该小组开发了一种使用机械臂的方法，使他们能够在电子显微镜下选择单个粒子并将它们放置在纳米电极上进行电化学分析。该方法在Angewandte Chemie杂志中有所描述，该杂志于 2020 年 11 月 19 日提前在线发表。

使用机械臂将纳米粒子沉积到电极上

在这些研究中，科学家们使用了直径为 180 到 300 纳米的六边形氧化钴颗粒，这是由斯蒂芬舒尔茨教授和萨德勒教授组成的杜伊斯堡-埃森团队合成的。在实验中，粒子催化了所谓的氧气进化反应。在水的电解过程中，会形成氢气和氧气，目前该过程中的限制步骤是部分反应，其中形成氧气。用于析氧反应的更有效的催化剂将简化在氢形成下电化学水分解的效率。纳米颗粒催化剂应该对此有所帮助。由于它们的催化活性通常取决于它们的大小或形状，因此了解单个颗粒的特性以找到最佳催化剂非常重要。

由 Thomas Quast、Harshitha Barike Aiyappa 博士、Patrick Wilde 博士、Yen-Ting Chen 博士和 Wolfgang Schuhmann 教授组成的波鸿团队首先对选定的氧化钴颗粒进行了微观分析，然后是电化学分析。“使用可移动的机械臂，我们可以在电子显微镜下挑选出单个纳米粒子，”舒曼解释道。“选定的粒子，然后我们已经在显微镜下知道，我们将其放置在一个微小的电极上，以测试它作为催化剂的作用。” 然后研究人员使用电化学方法测量其对析氧反应的催化活性。

高催化活性

通过这种方式，化学家分析了几个单独的粒子。由于他们知道粒子的大小和晶体取向，因此他们能够将催化活性与钴原子的数量联系起来。“在这里，颗粒在析氧反应中表现出非常高的活性，测得的电流密度超过市售碱性电解槽 20 多倍，”斯蒂芬舒尔茨说。

“我们相信，通过应用所提出的方法，催化剂材料的单粒子分析最终达到了可靠且相对简单的样品制备和表征的程度，这对于建立结构 - 功能关系至关重要，”作者总结道。

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