電催化反應中的界面雙電層：理論、表征與應用

摘要：界面雙電層是電催化反應的核心區域。催化劑表面原子、反應物、中間體、產物、溶劑分子和離子等組分，共同構成了復雜的動態反應網絡。這種特殊的組成和結構賦予界面雙電層以特殊的性質，深刻地影響了電催化反應的路徑與結果。本文將以電催化反應中的雙電層為主要研究對象，圍繞雙電層理論模型及其歷史沿革、雙電層的實驗表征方法和雙電層對電催化反應的影響這三個方面，以若干電催化反應前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應之間的關聯，并介紹一些特定情形下電催化雙電層研究的研究方法和研究邏輯。

關鍵詞：電催化；雙電層；電極/電解液界面；理論模型；原位表征技術

中圖分類號：O643

1 引言

作為電化學的重要分支之一，電催化可便捷地通過電學方法調控反應的熱力學和動力學性質，使得物質轉化過程可在溫和條件下發生，在化工、環境和能源等領域都起著至關重要的作用。同時，可再生能源電力系統的普及以及“碳達峰、碳中和”的重要目標也催生了電催化體系的應用。隨著電催化領域和相關科學技術的蓬勃發展，電催化相關研究已逐漸從宏觀、孤立的研究視角向微觀、互相關聯的研究視角轉變，其中界面雙電層（EDL）這一古老的研究主題，得益于前人堅實的實驗和創造性的理論研究，以及多種原位表征技術和計算化學的發展應用，在百年后的今天重新煥發出生機與活力[1，2]。

界面雙電層是電催化反應的核心區域。在特定外加電壓下電極與電解質相接觸時兩相界面處帶電粒子（包括電子）和偶極子所受作用力與體相環境中有著巨大的差異，因而會發生重新排布，即正負電荷分離或者偶極子特定取向，形成組成、結構與性質都顯著有別于體相的帶電物種層[3]。由于界面會形成電荷相反的兩層帶電區域，故將此界面區域命名為雙電層。催化劑表面原子、反應物、中間體、產物、溶劑分子和離子等組分，共同構成了復雜的動態反應網絡。這種特殊的組成和結構賦予界面雙電層以特殊的性質，深刻地影響了電催化反應的路徑與結果[4]。例如，若雙電層電勢差為1 V，且雙電層厚度一般在0.1 nm–1 μm數量級范圍[5]，則存在數量級為104–108 V?cm?1的強界面平均電場。電場強度和電勢分布顯著改變了電催化反應的活化能，進而影響電極反應動力學。

因此，研究雙電層區域的界面結構與理化性質，特別是解析外加電勢下界面各組分的分布、雙電層內電勢變化的規律以及組分間特殊的相互作用方式，有利于研究反應機理、深入反應本質，從而為提升電催化反應的性能以及創造新的電催化反應性質提供新的思路，實現電催化反應的高效、精準調控。

本文以電催化反應中的雙電層為主要研究對象，首先介紹雙電層理論歷史沿革，給出被廣泛應用的雙電層理論模型及其理論發展，隨后介紹雙電層的研究方法和實驗表征手段，最后以若干電催化反應前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應之間的關聯，并介紹一些特定情形下電催化雙電層研究的研究方法和研究邏輯，希望幫助初入電催化領域的學生建立對雙電層的基本認知，熟悉常見的雙電層研究策略，并了解雙電層對電催化反應的重要影響。