2025年中國分析測試科學獎二等獎：原位動態分子測量技術在材料表界面反應中的應用研究
完成單位：青島大學
完成人：翟艷玲，盧小泉，焦雷，郭偉偉，張廷，朱志軍
成果簡介：
表界面是探究分子、原子與界面相互作用、離子遷移、能量傳遞和電荷轉移的核心。本項目通過原位動態分子測量技術（即團隊自主研制的掃描光譜電化學顯微鏡）對材料的界面結構、界面效應、電荷轉移等進行研究，利用軟探針分子構筑了光生載流子的檢測平臺，實現了光生空穴和電子的原位追蹤，打破了傳統電化學方法只能從宏觀角度研究光電化學總體“平均”過程和性能的局限，闡明了材料的結構、組成與其電荷轉移及光電催化等性能的構效關系；通過原子尺度摻雜，構建了靈敏精準的分子測量界面，并以小分子催化與傳感作為反應模型，探索了原子尺度界面催化反應與傳感性能之間的構效關系，闡明了測量界面上分子活化機制的科學問題；利用原位表征技術對小分子催化轉化材料的表界面反應進行測量，實時、準確監測材料界面在小分子轉化過程中的變化，為小分子催化反應機理及反應動力學提供理論指導。研究成果發表在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Anal. Chem.等學術期刊，相關成果獲國際和國內同行高度評價。
創新點及科學價值：
表界面是發生物理和化學反應的重要場所，已經成為能源、環境、生命等領域的研究熱點。如今，伴隨國家“雙碳”戰略的不斷深入，急需新能源、新材料等領域發揮重要作用。然而，當前對于高性能材料理性設計、構筑等所面臨的表界面科學問題仍舊未知，特別是界面異質結構、界面效應、缺陷、應力等核心問題。這主要歸根于當前測試手段對于上述問題僅僅處于宏觀、平均量化的水平，而缺少對于表界面問題的精準、原位量化。因此，探究材料表界面上各種光、電化學反應過程、發生機理，進一步理解材料的結構和組成與其催化性能的構效關系，對設計和發展新材料具有重要的指導意義。
社會經濟效益：
利用原位動態分子測量技術對小分子催化轉化材料的表界面電化學、離子傳輸、電荷分布等進行原位、實時、精準表征與測量，探究了材料結構、組成與其催化性能界面反應動力學機理的構效關系，通過在微納及原子尺度對材料的組成和結構等方面進行調控，實現了小分子電催化劑的理性設計和精準可控制備，開發了清潔新能源材料與器件并進行結構設計與性能優化。利用原位動態表征技術有效實現了高效、快速且穩定的材料表界面分析測量，開展了“碳抵消”能源轉換應用，從而有效助力“碳中和”，為國家節能減排貢獻力量。
應用前景：
立足材料宏觀性能，將微觀與宏觀表征相結合，靜態與動態表征相結合，深入探究材料表界面電荷轉移過程與材料結構、性能調控的關系，為高性能微納結構的精準設計提供重要參考。本項目為界面光電化學、掃描電化學顯微鏡研制等重要領域提供領先、穩定、可靠的分析技術及應用示范，服務于解決國家及地方能源轉換重大戰略需求，推動經濟社會可持續發展。
