香港城大曾志远教授，Matter观点：多界面电化学反应的液相 TEM 研究

第一作者：胡红璐

通讯作者：曾志远*

单位：香港城市大学，加拿大卡尔加里大学

近年来，全球能源结构向低碳化转型的迫切需求推动了电化学储能与转化技术（如二次电池、燃料电池和金属-空气电池）的突破性发展。以锂电池和电催化体系为代表的能源器件，其核心性能取决于电极-电解质界面处的电化学反应动力学行为，例如锂枝晶的异质形核与生长、固态电解质界面（SEI）的动态重构、过渡金属催化剂的表面相变等。传统表征手段受限于非原位测试的静态限制，难以捕捉液态环境中瞬态反应的原子级动态过程。在此背景下，液相透射电子显微术（LP-TEM）通过纳米级密闭液胞设计与电子束调控技术的突破，实现了对电化学界面动态行为的高时空分辨率原位观测。该技术不仅能追踪锂金属沉积的位点选择性生长（如根-尖两阶段演化模式）、SEI亚微米颗粒的自组装过程与自修复机制，还可解析催化剂在电解质环境中的原子迁移、晶面重构与选择性蚀刻行为。

基于此，来自香港城市大学的曾志远教授，在国际知名期刊Matter上发表题为“Liquid-phase TEM study of electrochemical reactions at multiple interfaces”的观点文章。该观点文章解析了电化学原位液相透射电子显微镜（LP-TEM）技术在界面反应机制研究中的结构调控与功能创新，并整合了该技术在二次电池和电催化材料研究中的突破性进展。

图1. 电化学界面反应过程示意图

根据电解质状态（如无电解液、非挥发性电解液、液态电解液）选择不同电化学电池平台。例如，封闭式窗口策略（如硅氮化物窗口、石墨烯窗口）适用于高分辨率原子级观测，而压差抽气策略（如流动池设计）可维持真实液态环境并减少电子束干扰。开放式样品池在高温、气体或液体环境中提供高空间分辨率，适用于动态过程的实时观察；封闭式液态池则更贴近实际电化学界面，适合研究SEI形成或离子迁移。流动池与加热池设计结合外部控制（如温控、前驱体注入），可模拟真实反应条件（如光催化产氢、金属沉积）。

图2. 电化学原位液相透射电子显微技术简史

要点二：液相TEM样品池的优化与挑战

采用超薄窗口（如石墨烯）减少电子束散射，结合低剂量成像技术（如HAADF-STEM）增强原子级细节捕捉。集成微机电系统（MEMS）实现精准电化学刺激（如电位循环），并利用4D-STEM和机器学习分析动态结构演变（如Cu纳米线在CO₂还原中的形变）。同时，现存挑战仍在于电子束诱导的辐射分解（如产生自由基、气泡）可能干扰反应真实性，需通过低剂量成像和对照实验验证；液态池中电极间距小、电解质体积有限，导致非理想质量传输，需优化电极几何结构与流动设计以贴近实际电池条件。

图2. 利用液相透射对能量存储和转换的典型过程进行纳米级表征

要点三：未来研究方向与前景

在未来，研究人员需要开发电子敏感度更低、机械稳定性更强的液态池材料（如新型二维材料窗口），并结合原位光谱技术（如EELS）同步获取化学态信息。推动LP-TEM从定性观测转向定量分析亦尤为重要，例如通过集成传感器直接测量电流密度、过电位等参数，并与宏观性能关联。

Liquid-phase TEM study of electrochemical reactions at multiple interfaces

曾志远，香港城市大学副教授，博士生导师。2006年，2008年和2013年分别在中南大学，浙江大学和新加坡南洋理工大学获得材料学的学士，硕士和博士学位。2013-2017在美国加州Lawrence Berkeley National Laboratory从事博士后科学研究。2017-2019在美国加州硅谷Applied Materials Inc.从事半导体芯片（DRAM, 3D NAND）的等离子体刻蚀（Plasma Etching）工艺研发，历任工程师、高级工程师，2019年加入香港城市大学材料科学与工程学院，2023年加入城大海洋污染国家重点实验室成为研究员。现主要从事二维TMDs材料的电化学锂离子插层剥离技术、原位液相透射电镜技术、污水处理以及资源回收等应用研究。在Nat. Mater., Nat. Rev. Chem., Nat. Synth. （2篇）, Nat. Protoc. （2篇）, Nat. Water, Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Nano, etc.等杂志共发表SCI论文169篇（121篇IF>10），他引25252次，单篇引用100次以上论文50 篇，18 篇入选ESI 高被引论文（Web of Science），H 因子69 (Google Scholar)。2024年获得香港研究资助局(RGC)新进学者协作研究补助金(YCRG) (4,832,040 HKD)，2018年曾获“国家高层次青年人才”，曾任美国电化学协会旧金山分会秘书长（2014-2015）。2024，2023，2022，2020，2018五年度被科睿唯安（Clarivate Analytics）评为“高被引科学家”。2024, 2023，2022，2021, 2020五年度入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Most-cited Scientists）。2022年分别获Advanced Materials（影响因子30.85），Small（影响因子13.3）学术新星（Rising Star）荣誉，2021，2020年分别获Chemical Communications，Journal of Materials Chemistry A 新锐科学家（Emerging Investigators）荣誉，现任Scientific Reports - Nature (IF: 3.8)，Energy & Environmental Materials (影响因子15.122),《电化学》(主编：孙世刚院士)，Chinese Chemical Letters等杂志的编委或青年编委。

2024年，香港城市大学曾志远教授、美国麻省理工学院李巨教授等合作在Nature Reviews Chemistry期刊上发表了一篇题为“Intercalation in 2D materials and in-situ studies”的文章。在这篇文章中，作者分析指出原子、离子和分子的插层是调整二维 (2D) 材料特性的有力工具。使用此工具，二维材料的层间相互作用、面内键合构型、费米能级、电子能带结构和自旋轨道耦合等属性可以得到有效的调控，从而引起二维材料的光子、电子、光电子、热电、磁性、催化和能量存储相关的性质变化。原位成像和光谱技术是可视化和追踪插层过程的有效手段，为破译重要且常常难以捉摸的插层动力学、插层化学力学，和插层机理提供了机会。

2023年，香港城市大学曾志远教授和美国麻省理工学院李巨教授等人系统地阐释了原位电化学液体池透射电子显微技术的材料制备、操作流程和应用前景。

2021年，香港城市大学曾志远教授，美国麻省理工学院李巨教授和中国科技大学李震宇教授等人利用原位电化学液体池透射显微技术首次发现Ti正极表面LiF纳米晶地形成和演化。研究显示了纳米LiF显著的变形迁移率和自修复能力，并揭示了调节LiF晶体和阴极表面化学以提高电池性能和循环寿命的策略。

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