【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系鐘錦輝副教授團隊發(fā)展出一種傅里葉變換寬場電化學(xué)高光譜成像技術(shù)(FT-WEHI)，實現(xiàn)了對數(shù)百個單納米顆粒電化學(xué)反應(yīng)過程的原位、高通量、同步監(jiān)測。相關(guān)研究成果以 “Wide-field Fourier transform hyperspectral imaging for real-time probing of electrochemical reactions”和“High-Throughput Monitoring of Electrochemical Reactions on Single Nanoparticles via Fourier Transform Wide-Field Electrochemical Hyperspectral Imaging” 為題，分別在國際學(xué)術(shù)期刊 Advanced Scientific Instruments 與ACS Nano上在線發(fā)表。
 

　　電化學(xué)界面廣泛存在于電催化、鋰離子電池、傳感等關(guān)鍵能源與化學(xué)過程之中。由于電極表面常具有空間非均一性，不同區(qū)域的顆粒尺寸、形貌和組分可能存在顯著差異，其電化學(xué)活性也隨之不同；同時，電化學(xué)界面還會隨時間和外加電位持續(xù)演化。因此，發(fā)展能夠在寬視場范圍內(nèi)實時獲取空間與光譜信息的原位成像技術(shù)，對于理解和調(diào)控復(fù)雜電化學(xué)過程具有重要意義。
 

　　傳統(tǒng)高光譜成像通常依賴逐點掃描或波長調(diào)諧，難以兼顧成像速度、視場范圍和光譜信息的同步獲取，限制了其在快速、非均一電化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用。針對這一難題，研究團隊將基于平移楔塊的相同脈沖編碼系統(tǒng)(TWINS)與高速二維相機相結(jié)合，構(gòu)建了傅里葉變換寬場電化學(xué)高光譜成像平臺。該方法通過掃描TWINS中的楔形晶體改變兩束散射光之間的時間延遲，并持續(xù)在相機上進行寬場成像和記錄，再經(jīng)傅里葉變換重建每個空間位置的散射光譜，實現(xiàn)了在較短時間內(nèi)同時對大量單納米顆粒光譜測量的目的。
 

　　相較于傳統(tǒng)單顆粒光譜實驗需要長時間重復(fù)測量才能獲得統(tǒng)計結(jié)果，F(xiàn)T-WEHI能夠在寬視場內(nèi)同步獲取大量隨機分布納米顆粒的二維空間圖像和光譜信息，顯著提升了單顆粒電化學(xué)研究的實驗效率。該技術(shù)可以在光致發(fā)光光譜、暗場散射光譜、透射/吸收光譜和拉曼光譜等多種光譜測量模式下切換。在光致發(fā)光和暗場散射模式下獲得的光譜的峰位、峰形和線寬與商用光柵光譜儀所獲得的光譜高度吻合。
 

　　研究團隊以鉑在金納米球和金納米棒表面電化學(xué)沉積作為模型反應(yīng)，驗證了該技術(shù)在原位電化學(xué)研究中的性能。實驗中，團隊在氧化銦錫導(dǎo)電基底上分散金納米顆粒，并在含六氯鉑酸鈉和硫酸的電解液中逐步掃描電位。FT-WEHI可持續(xù)地以8秒的間隔獲取一個完整的高光譜數(shù)據(jù)立方體，并在一次實驗中同步記錄數(shù)百個單納米顆粒的暗場散射光譜變化。結(jié)果顯示，隨著電位降低，金納米球和金納米棒的局域表面等離激元共振峰普遍發(fā)生紅移并展寬，反映出鉑在納米顆粒表面的沉積過程。相較于傳統(tǒng)電化學(xué)方法的整體電流變化，該方法能夠為每個單顆粒構(gòu)建類似線性伏安曲線的“光學(xué)伏安圖”，從而直接在單顆粒尺度上分析反應(yīng)進程。
 

　　進一步分析表明，不同顆粒之間存在顯著反應(yīng)異質(zhì)性：金納米球的鉑沉積起始電位分布較寬，約 40% 的金納米球在實驗電位窗口內(nèi)未表現(xiàn)出明顯光譜變化；而金納米棒的起始電位呈更窄的近高斯分布，中心約為 0.216 V，且?guī)缀跛薪鸺{米棒均出現(xiàn)光譜響應(yīng)。該差異闡明了納米顆粒形貌對電化學(xué)反應(yīng)路徑的重要影響。結(jié)合掃描電子顯微鏡表征和電磁場模擬發(fā)現(xiàn)，鉑更傾向于優(yōu)先沉積在金納米棒兩端，而非側(cè)面區(qū)域。隨著過電位增大，鉑沉積逐漸從端部擴展至側(cè)面，并進一步形成島狀或尖刺狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金納米棒散射光譜出現(xiàn)“紅移—藍移—再紅移”的復(fù)雜演化過程。模擬結(jié)果與實驗光譜變化高度吻合，驗證了FT-WEHI對單顆粒電化學(xué)結(jié)構(gòu)演變的解析能力。
 

　　研究團隊成功研制了傅里葉變換寬場電化學(xué)高光譜成像系統(tǒng)，并證實了其具有的良好的空間分辨率與光譜分辨率，實現(xiàn)了大量單納米顆粒電化學(xué)反應(yīng)的原位高通量監(jiān)測。該方法能夠快速獲得高通量的高光譜數(shù)據(jù)集，未來有望與機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動策略結(jié)合，加速催化、能源和生物等領(lǐng)域的材料開發(fā)和機理研究。
 

　　南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士生宋偉銘、碩士生廖圳豪為論文共同第一作者，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系鐘錦輝副教授為論文通訊作者。南方科技大學(xué)為論文主要完成單位，廈門大學(xué)相關(guān)團隊參與合作。研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、深圳市聲子學(xué)與智能熱管理材料重點實驗室等項目的支持。
 

　　引用：南科大鐘錦輝團隊成功開發(fā)傅里葉變換寬場電化學(xué)高光譜成像技術(shù) 南方科技大學(xué) 【引用時間：2026年7月21日】