科学通报 | 原位透射电镜在电化学储能和电催化领域的研究进展

原位透射电镜技术（in situ TEM）作为一种先进的表征手段，近年来在电化学领域的研究中展现了其独特的优势和广泛的应用潜力。该技术可实现电化学反应的实际工作条件下原子级空间分辨和微秒级时间分辨率的直接观察，能够分析材料服役态的微观结构及其动态演变过程，为科研人员提供了一个实时监测电化学反应过程的有效方法。

依托in situ TEM，研究人员可以深入探讨电化学反应过程中电极材料及界面结构的变化，揭示材料反应机制及其性能变化之间的内在联系，从而为理解电化学储能与电催化的反应机理及材料失活机制提供了重要的科学依据，推动了高性能电池和高催化活性的材料的研究与制备。

厦门大学化学周毅、廖洪钢教授等撰写评述文章，系统梳理in situ TEM技术发展脉络，全面介绍各类原位观测池；随后重点阐述了in situ TEM技术在电化学储能和电催化领域中的应用，包括电池材料在电化学储能中的三种转化机制（插层、合金化与转化）、锂金属电池和锂硫电池等高比能电池的锂化机理，以及电催化领域中催化剂结构演变及催化机理的研究进展；最后针对该技术目前存在的挑战和在电化学领域的进一步应用探索作了总结和展望。

图文导读

图1原位观测池。(a) 开放液体池;(b) 开放固体池;(c) 研究MoS2纳米片锂化过程的氮化硅液体池;(d) 研究CO2RR过程中Cu2O催化剂形态变化的氮化硅液体池;(e) 石墨烯液体池;(f) 三电极体系液体池; (g) 十电极体系液体池

图2原位透射电镜在电化学储能和电催化中的研究进展

图3插层型材料的的原位TEM。(a) 锂枝晶对LiCoO2影响的原位TEM; (b) 双层石墨烯锂化的原位TEM图像;(c) MoS2纳米片锂化过程的原位TEM图像

图4合金型材料的的原位 TEM 。 (a) 硅纳米颗粒的锂化过程 . (b) 单个 Cu/Si/Ge 纳米线锂化的原位 TEM 图像 . (c) 锂化中 Si/Ge 双层壳厚度随时间变化的原位 TEM 放大图像和曲线

图5转化型材料的的原位TEM。(a) Fe3O4锂化过程中相转变的原位TEM图像; (b) 三相的投影面积与时间的关系; (c) 插入与转化反应的速率与时间的函数; (d) Small-ZnFe2O4锂化过程中相转变的原位TEM图像; (e) S-ZFO中尖晶石相的投影面积和L-ZFO中出现的三个相随时间变化曲线; (f) 最终放电产物的粒度分布

图6锂金属电池和锂硫电池的原位TEM。(a) 钛电极顶部锂纳米颗粒与富含Li-F的SEI的剥离; (b) 阳离子聚合物薄膜对锂电化学沉积的影响; (c) 多硫化锂的一步沉积; (d) 多硫化锂的两步沉积; (e) 多硫化锂的集体电荷转移; (f) C/S结构中多硫化锂的现象; (g) TiO2-TiN/C/S结构中多硫化锂的现象; (h) C/TiO2-TiN/S结构中多硫化锂的现象

图7电催化过程的原位TEM。(a) 非晶相通过动态流动和相互转化行为介导结晶Cu表面重构的原位TEM图; (b) ESLI中Cu重组和溶解的原位TEM图; (c)对碳载八面体Pt–Ni合金进行恒定电极电位的周期分隔的连续电位循环的原位TEM图; (d) Mn2O3纳米催化剂在OER过程的原位TEM图; (e) 对铜络合物在指定施加电位下进行阳极扫描的原位TEM图

图8影响样品成像质量的因素。(a) SiNx厚度;(b) 液层厚度;(c) 低剂量下的样品损伤;(d)石墨烯保护下的高剂量原子分辨图像

文章信息

肖铭冶, 龙可, 梁皝, 周毅, 廖洪钢. 原位透射电子显微镜在电化学储能和电催化领域的研究进展. 科学通报, 2026, 71(17): 3951–3971

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