摘要：界面雙電層是電催化反應(yīng)的核心區(qū)域。催化劑表面原子、反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物、溶劑分子和離子等組分，共同構(gòu)成了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這種特殊的組成和結(jié)構(gòu)賦予界面雙電層以特殊的性質(zhì)，深刻地影響了電催化反應(yīng)的路徑與結(jié)果。本文將以電催化反應(yīng)中的雙電層為主要研究對(duì)象，圍繞雙電層理論模型及其歷史沿革、雙電層的實(shí)驗(yàn)表征方法和雙電層對(duì)電催化反應(yīng)的影響這三個(gè)方面，以若干電催化反應(yīng)前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，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(guān)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(shù)

中圖分類號(hào)：O643

1 引言

作為電化學(xué)的重要分支之一，電催化可便捷地通過(guò)電學(xué)方法調(diào)控反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，使得物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程可在溫和條件下發(fā)生，在化工、環(huán)境和能源等領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，可再生能源電力系統(tǒng)的普及以及“碳達(dá)峰、碳中和”的重要目標(biāo)也催生了電催化體系的應(yīng)用。隨著電催化領(lǐng)域和相關(guān)科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電催化相關(guān)研究已逐漸從宏觀、孤立的研究視角向微觀、互相關(guān)聯(lián)的研究視角轉(zhuǎn)變，其中界面雙電層（EDL）這一古老的研究主題，得益于前人堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)造性的理論研究，以及多種原位表征技術(shù)和計(jì)算化學(xué)的發(fā)展應(yīng)用，在百年后的今天重新煥發(fā)出生機(jī)與活力[1，2]。

界面雙電層是電催化反應(yīng)的核心區(qū)域。在特定外加電壓下電極與電解質(zhì)相接觸時(shí)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(huán)境中有著巨大的差異，因而會(huì)發(fā)生重新排布，即正負(fù)電荷分離或者偶極子特定取向，形成組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)都顯著有別于體相的帶電物種層[3]。由于界面會(huì)形成電荷相反的兩層帶電區(qū)域，故將此界面區(qū)域命名為雙電層。催化劑表面原子、反應(yīng)物、中間體、產(chǎn)物、溶劑分子和離子等組分，共同構(gòu)成了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。這種特殊的組成和結(jié)構(gòu)賦予界面雙電層以特殊的性質(zhì)，深刻地影響了電催化反應(yīng)的路徑與結(jié)果[4]。例如，若雙電層電勢(shì)差為1 V，且雙電層厚度一般在0.1 nm–1 μm數(shù)量級(jí)范圍[5]，則存在數(shù)量級(jí)為104–108 V?cm?1的強(qiáng)界面平均電場(chǎng)。電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)分布顯著改變了電催化反應(yīng)的活化能，進(jìn)而影響電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

因此，研究雙電層區(qū)域的界面結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，特別是解析外加電勢(shì)下界面各組分的分布、雙電層內(nèi)電勢(shì)變化的規(guī)律以及組分間特殊的相互作用方式，有利于研究反應(yīng)機(jī)理、深入反應(yīng)本質(zhì)，從而為提升電催化反應(yīng)的性能以及創(chuàng)造新的電催化反應(yīng)性質(zhì)提供新的思路，實(shí)現(xiàn)電催化反應(yīng)的高效、精準(zhǔn)調(diào)控。

本文以電催化反應(yīng)中的雙電層為主要研究對(duì)象，首先介紹雙電層理論歷史沿革，給出被廣泛應(yīng)用的雙電層理論模型及其理論發(fā)展，隨后介紹雙電層的研究方法和實(shí)驗(yàn)表征手段，最后以若干電催化反應(yīng)前沿研究為例，闡述雙電層與電催化反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，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(lǐng)域的學(xué)生建立對(duì)雙電層的基本認(rèn)知，熟悉常見(jiàn)的雙電層研究策略，并了解雙電層對(duì)電催化反應(yīng)的重要影響。