基础研究里的难题：外加电压如何驱动非金属催化剂进行反应？| NSR

外加的电压如何驱动纳米级电催化剂进行反应是一个基本的科学问题，尤其是对于非金属电催化剂，由于其本征载流子浓度低（导电性差），电压作用于非金属/溶液界面时，情况远比金属/溶液界面复杂，体现在非金属内部的电势降落不可忽略，此时的表面电势往往偏离背部电势，若把非金属当做经典的金属模型来分析化学反应驱动力，则会产生较大的偏差。目前非金属/溶液界面电势分布的实验研究仍然处于空白。

为了解决这个问题，研究团队自主搭建了原位表面电势显微镜技术，并且成功测量了不同外加电压下的二硫化钼半导体相基平面的表面电势。研究发现半导体的表面电势随外加电压的变化曲线与金属相比有着较大的差异。外加电压从正往负方向扫描时，半导体的表面电势由维持不变过渡到出现变化，逐渐往金属行为靠拢。

原位表面电势测量

通过解耦不同外加电压下电势在半导体与双电层的降落值（ΔV_sem与ΔV_edl），揭示了原位条件下半导体费米能级与导带的"追逐"过程（能带结构的变化）。在此过程中，由于“电解质门控”效应的存在，使得半导体逐渐转变为高导电性的半金属。

ΔV_sem与ΔV_edl的解耦与能带结构的演变

纳米电化学成像表明半导体基平面表现出与半金属边缘相当的强电子转移（ET）能力，与电势测量结果一致，表明ET步骤不是制约二硫化钼基平面进行电催化反应的因素。研究团队进一步解耦了电子浓度（n_s）与速率常数（k_f）对ET反应的影响。

ET反应成像与n_s, k_f对ET反应的影响

进一步进行HER成像时发现基平面为催化惰性，只有边缘位点为催化活性，表明电压只作用于ET步骤，由于基平面缺少氢吸附位点（也即化学步骤），电压无法驱动基平面的电子进一步参与化学反应。

HER成像与理论计算