一、AI-电化学家实验室应用案例

Pan Y, Shan X, Cai F, et al. Accelerating the Discovery of Oxygen Reduction Electrocatalysts: High-Throughput Screening of Element Combinations in Pt-Based High-Entropy Alloys. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63 (37), e202407116.

Shan X, Pan Y, Cai F, et al. Accelerating the Discovery of Efficient High-Entropy Alloy Electrocatalysts: High-Throughput Experimentation and Data-Driven Strategies. Nano Lett. 2024, 24 (37), 11632-11640.

一、AI-电化学家实验室应用案例

二、超分辨电化学实验室应用案例

Wu W, Gao H, Jia L, et al. Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics. Science. 2025: eadv4551.

二、超分辨电化学实验室应用案例

Wang P, Li P, Pan Z, et al. Photothermal-electrocatalysis interface for fuel-cell grade ammonia harvesting from the environment. Nat. Commun. 2025, 16, 5581.

应用二 | 光热-电催化界面实现燃料电池级氨气的环境捕获

      本研究开发了一种创新的光热-电催化界面（PTEI）系统，实现了从空气与模拟工业废水中连续制备并提纯燃料电池级高纯氨。该体系通过将Ni单原子修饰的Cu₂O电催化层与光热凝胶蒸发层集成为Janus结构，有效避免了传统工艺中因酸吸收和高温蒸发造成的高能耗与阴离子引入问题。在此基础上，研究团队构建了连续流反应器，结合等离子体空气电离技术，实现了从空气或废水到高浓度无阴离子氨溶液的高效转化与持续生产。该体系可直接为燃料电池提供高纯氨燃料，同时具备显著的节能、减碳与资源循环优势。该成果为氮资源绿色回收、氨能源利用以及“水-能源-粮食纽带（WEF Nexus）”的可持续发展提供了全新技术路径。

二、超分辨电化学实验室应用案例

Li H, Li S, Guan R, et al. Modulating the surface concentration and lifetime of active hydrogen in Cu-based layered double hydroxides for electrocatalytic nitrate reduction to ammonia. ACS Catal. 2024, 14, 12042-12050.

应用三 | 调控铜基层状双氢氧化物中活性氢的表面浓度与寿命以实现电催化硝酸盐还原制氨

      在硝酸盐还原反应（NitRR）中，通过引入异质金属来产生表面活性氢（*H）的策略已被广泛用于增强铜基催化剂的电催化活性。然而，目前对*H行为及其在调控NitRR路径中的具体作用的全面理解，尤其是在定量层面，仍然不足。本研究制备了一组层状双氢氧化物（LDHs）作为模型催化剂，这些催化剂具有不同的*H浓度和寿命。研究发现，铜基LDHs的NitRR活性高度依赖于*H物种，而这些物种可以通过引入的异质金属位点进行调控。具体而言，我们利用时间分辨扫描电化学显微镜对不同铜基LDH催化剂进行了原位分析。量化了在不同施加电位下*H的表面浓度和寿命，从而建立了*H行为与NitRR性能之间的关系。因此，CuNi-LDH因其适宜的*H表面浓度和寿命，实现了最佳的NitRR性能，其法拉第效率达到94.6%，产率为2.7 mg h⁻¹ cm⁻²。此外，我们观察到在NH₃生产的法拉第效率方面存在CuNi > CuCo > Cu > CuRu > CuFe > CuMg的趋势。这些结果表明，通过有效利用催化剂产生的稳定*H，可以实现优异的NitRR性能，这为其他电催化加氢反应提供了有前景的策略。

二、超分辨电化学实验室应用案例

Liu K, Li H, Xie M, et al. Thermally enhanced relay electrocatalysis of nitrate-to-ammonia reduction over single-atom-alloy oxides. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 7779-7790.

应用四 | 热增强单原子合金氧化物中继电催化硝酸盐还原制氨

      电化学硝酸盐还原反应（NO₃RR）有望将氮污染转化为有价值的氨产品。然而，传统的电催化在有效驱动 NO₃RR 的复杂八电子和九质子转移过程的同时，还面临着与析氢反应竞争的挑战。在本研究中，我们展示了在镍改性氧化铜单原子合金氧化物纳米线上的硝酸盐到氨的转化热增强电催化。该催化剂表现出改进的氨生产性能，在+0.1 V 相对于可逆氢电极的条件下，在升高细胞温度下，法拉第效率约为 80%，产率高达 9.7 mg h⁻¹ cm⁻²。此外，该热增强电催化系统表现出令人印象深刻的稳定性、抗干扰性和对模拟工业废水处理的良好能耗和温室气体排放。互补的原位分析证实，在 Ni 位点形成的活性氢物种的显著优越的传递促进了 Cu 表面吸附的*NOx 氢化的热场耦合电催化。 理论计算进一步支持了在 Ni₁Cu 模型催化剂上对 NO₃RR 进行接力催化机制的热力学和动力学可行性。本研究引入了一种概念性的热电化学方法，用于协同调节复杂催化过程，突出了多场耦合催化在推进可持续能源驱动的化学合成技术方面的潜力。

二、超分辨电化学实验室应用案例

Yang L, Tu Y, Shan X, et al. Single Nanoparticle Collision Electrocatalysis Driven by Ultrafast High-Temperature Precision Synthesis. Nano Lett. 2025, 25, 8320-8326.

应用五 | 基于超快高温精确合成的单纳米粒子碰撞电催化研究

      研究聚焦于单颗粒级别的电催化性能识别与高通量合金催化剂制备策略的深度融合，突破了长期制约单颗粒碰撞电化学研究的材料合成难题。我们提出并实现了一种超快速高温+超声剥离联合策略，构建出具备高单分散性、组分可调、近原始表面的PtxRu₁₋ₓ胶体催化剂库，为大规模单颗粒级催化筛选提供了材料基础。通过构建N皮肤化的碳膜电极（NS-CFE），显著提高了颗粒附着稳定性，结合超高时间分辨率的SECCM平台，首次实现了催化剂本征性能在工业级电流密度下的单颗粒分辨测试。此外，第一性原理计算揭示了Pt–Ru合金的协同电子效应对中间体吸附和反应动力学的关键调控作用，构建了催化剂组成-电子结构-活性之间的内在关联。该工作不仅建立了一套面向高通量合金催化剂精准构建与单颗粒催化行为解析的实验范式，也为多元催化剂的高效筛选与定向优化提供了可推广的方法论基础。

二、超分辨电化学实验室应用案例

Liu C, Xu J, Jiang C, et al. The Microstructure–Activity Relationship of Metal–Organic Framework-Based Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction at the Single-Particle Level. ACS Mater. Lett. 2023, 5, 1902-1910.

应用六 | 单颗粒尺度下金属有机框架基电催化剂的微观结构–活性关系研究

      基于金属-有机框架（MOF）的材料因其在电催化氧气析出反应（OER）方面展现出的出色潜力而备受关注。然而，由于表征手段的分辨率有限，要从单个粒子层面理解这些材料的结构-活性关系仍是一个挑战。在此，我们提出了一种高效的综合方法，将单粒子尖端技术与扫描电化学单元显微镜相结合，以揭示片状镍基 MOF 颗粒的微观结构与电化学活性之间的关系。基于单个粒子层面的统计数据，我们发现片层厚度与 OER 活性之间存在负相关关系。通过（001）晶面占比更大的这一因素，可以解释增强的 OER 活性的原因。同时，我们记录了催化剂的制备过程，以确保结构信息的准确性。这项研究为理解基于 MOF 的催化剂（MOF-C）的微观结构-活性关系提供了一种简单的单实体电化学策略，并为高性能 MOF-C 的设计提供了新的见解。

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三、先进电极探针制备系统应用案例

Gao H, Xu J, Liu C, et al. Precise polishing and electrochemical applications of quartz nanopipette-based carbon nanoelectrodes. Anal. Chem. 2022, 94, 14092-14098.

应用一 | 石英纳米移液管碳纳米电极的精密制备与电化学应用

      基于石英纳米注射器的碳纳米电极（CNE）因其制作简单、效率高、化学性质稳定、尺寸灵活（可小至几纳米）以及超薄绝缘封装而引起了纳米级电化学领域的广泛关注。然而，这些原始的 CNE 通常表面形态极不规则，这极大地限制了需要嵌入纳米盘的应用领域。为了解决这一关键问题，我们开发了一种新的精确抛光策略，采用石蜡涂层保护（即避免石英材料的破裂）以及使用高阻抗计进行实时监测（即指示电极暴露情况），从而生产出平整的碳纳米盘电极。通过扫描电子显微镜、快速扫描循环伏安法和扫描电化学显微镜的结合，已证实了抛光后的 CNE 表面的平整度。与昂贵的聚焦离子束处理相比，这种方法在成本和设备可用性方面更具竞争力，并能够制备出足够小尺寸的抛光 CNE。这种扁平化的碳纳米管已被用作载体，用于将分子催化剂进行固定，从而实现对活性分子的持久催化作用，或者用于固定单个粒子的电催化剂，以便在充分的传质速率条件下测量其内在活性。

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三、先进电极探针制备系统应用案例

Liu C, Xu J, Gao H, et al. Nitrogen-skinned carbon nanocone enables non-dynamic electrochemistry of individual metal particles. Sci. China Chem. 2022, 65, 2031-2037.

应用二 | 氮包覆碳纳米锥实现单个金属颗粒的非动态电化学研究

      纳米冲击电化学是一种探究单个粒子物理和化学性质的有效方法。然而，由于粒子之间以及微电极（ME）之间的弱吸附作用，粒子碰撞事件会随机地演变成弹性碰撞或非弹性碰撞。这些事件间歇性地发生，产生无标记的瞬态信号集，严重干扰了单个粒子的测量。在此，我们报告了一种氮包覆碳纳米锥电极（NS-CNCE），以极大地增强其对金属粒子的吸附能力，从而实现非动态（即非弹性碰撞）的单个粒子分析。NS-CNCE 表面具有出色的附着力、光滑度和导电性，能够有效地捕获着陆的金属粒子，形成稳定的接触以实现高效的电子通信。使用优质的 NS-CNCE，我们分别在非动态电化学条件下研究了银（或金）粒子的电化学氧化和铂粒子的电催化放大。所确定的粒子尺寸与物理表征高度一致。对瞬态信号的统计分析证实了 NS-CNCE 与金属颗粒之间的强附着力，这也与粒子-电极吸附能模型的预测相一致。所提出的策略有效地解决了对一般单金属颗粒碰撞进行分析的这一主要难题。

三、先进电极探针制备系统应用案例

Zhang X, Gao H, Xu J, et al. Polyelectrolyte-functionalized carbon nanocones enable rapid and accurate analysis of Ag nanoparticle colloids. Chin. Chem. Lett. 2025, 36(4): 110148.

应用三 | 聚电解质功能化碳纳米锥实现银纳米粒子胶体的快速精准分析

      本研究提出了一种简单且有效的界面改性策略。通过在碳纳米锥电极（CNCEs）的表面电化学自组装聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PC），我们成功制备了 PC 改性电极（PC-CNCEs）。这些电极不仅具有足够宽的电化学窗口，而且其表面与带负电荷的银纳米粒子具有很强的附着力。表面物理分析和电化学分子检测验证了 PC 在改性电极上的高密度负载。此外，通过纳米碰撞和双电位步骤技术进一步验证了 PC-CNCEs 用于单个银纳米粒子碰撞检测的工作原理。利用这些显著的优势，PC-CNCE（聚合物-碳纳米管电化学传感器）不仅能够精确测量单个或混合尺寸的银纳米粒子，还能检测浓度低至飞摩尔/升级别的银纳米粒子溶液。这一进步为纳米粒子胶体的快速和精确分析提供了一种新的策略。

三、先进电极探针制备系统应用案例

Wu S, Xu J, Gao H, et al. Electrochemical Visualization of an Ion-Selective Membrane Using a Carbon Nanoelectrode. ACS Sens. 2023, 8(7): 2713-2720.

应用四 | 利用碳纳米电极实现离子选择性膜的电化学可视化

      分子和物理探针由于能够提供精确的时间和空间分辨率测量，已被广泛应用于研究界面的物理化学性质和机制。然而，由于聚合物膜的高阻抗和光学不透明性，直接测量离子选择电极（ISE）膜中的电活性物质扩散和水层的定量一直具有挑战性。本文报道了一种具有超薄绝缘封装和良好几何结构的碳纳米电极作为水层直接电化学测量的物理探针。扫描电化学显微镜实验在新鲜ISE界面处呈现正反馈，在调理3 h后呈现负反馈。估计水层厚度约为13 nm。我们首次提供了直接证据，证明在调节过程中，水分子通过氯离子选择膜（Cl-ISM）扩散，直到近3小时形成水层。此外，通过引入二茂铁（Fc）作为氧化还原分子探针，我们还直接电化学测量了Cl-ISM中氧分子的扩散系数和浓度。在调节过程中，Cl-ISM中的氧浓度降低，表明氧从ISM向水层扩散。该方法可用于固体接触的电化学测量，为电化学测量仪器的性能优化提供理论指导和建议。