EC-STM电化学扫描隧道显微镜——固液/固气界面研究

       传统的电化学测量（如循环伏安法）给出的是宏观、统计平均的信息。我们只知道“整个电极"上平均发生了多少电流，但不知道：表面原子结构在电位变化时如何重构？

吸附的分子或离子具体在哪个位点？

成核、生长、腐蚀等过程是从哪里开始、如何进行的？

·             原位技术，如EC-STM和Cat-TEM，就是为了“看见"这些微观过程，从而在原子/纳米尺度上建立结构-性能关系，为设计更好的催化剂、电池电极等提供理论基础。

·             EC-STM是STM技术应用于电化学环境的产物，是研究电极表面原子结构和过程的利器。

1.技术原理与关键组件

2.基本原理：与传统STM相同，基于量子隧穿效应。一个尖锐的金属针尖在样品3表面扫描，通过监测隧穿电流来反映表面的形貌和电子结构。

4.关键挑战：如何在导电的电解液环境中，隔离巨大的法拉第电流（来自电解液中的电化学反应），使其不干扰微弱的隧穿电流。

5.核心解决方案：

6.工作电极：待研究的样品。

对电极：构成电流回路。

参比电极：精确控制工作电极的电位。

STM针尖：作为独立的第四电极，其电位也需被精确控制（相对于参比电极），以消除针尖-溶液间的法拉第电流。

针尖绝缘：仅暴露的极小部分（通常用涂蜡、玻璃、电泳漆等方法），将针尖与电解液的法拉第接触面积降到低。

      Cat-TEM最初是为催化研究而发展，现在更广泛地称为液相电化学TEM。它通过在TEM内部创建一个微型的“电化学芯片"，来实现对液相环境中纳米过程的观测。

技术原理与关键组件

1.基本原理：使用两个超薄的氮化硅（SiN）窗口（通常厚度<50 nm）构成一个微小的液体腔室（高度约100-500 nm）。将液体样品（电解液）密封在其中。

2.电化学集成：在芯片上预制工作电极、对电极，并通过微纳加工技术引出导线。参比电极有时会被集成或省略。

3.成像：高能电子束穿透超薄的SiN窗口和薄液层，对腔室内的纳米结构（如沉积在工作电极上的催化剂颗粒）进行成像。

4.主要优势

高时空分辨率：分辨率可达1-2 nm，可与UHV兼容，远高于光学显微镜。可以实时拍摄纳米过程的视频（毫秒到秒级）。

5.体相信息：不仅能看表面，还能看到液体内部的纳米颗粒、气泡的形成、以及材料的体相结构变化（如相变、晶格条纹）。

6多模态表征：可与电子衍射、EELS、EDS 等技术联用，同时获得样品的晶体结构、化学组成和电子结构信息。

7.统计意义：视野内通常包含大量纳米颗粒，可以同时统计研究多个个体，结果更具代表性。