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在新能源材料、電催化和電化學(xué)界面研究中，我們常常面臨一個(gè)核心問(wèn)題：
當(dāng)電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，究竟是什么物質(zhì)在參與反應(yīng)？它們又是如何進(jìn)入、離開(kāi)或改變電極界面的？
傳統(tǒng)電化學(xué)測(cè)試可以記錄電流、電位和電荷，但這些信號(hào)往往不足以直接說(shuō)明電極表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)演變與物質(zhì)遷移過(guò)程。
因此，將不同原位表征技術(shù)結(jié)合起來(lái)，從多個(gè)維度揭示反應(yīng)機(jī)制，已成為電化學(xué)研究的重要發(fā)展方向。
近年來(lái)，Nature Materials、Nature Communications、Science Advances 等國(guó)際高水平期刊陸續(xù)發(fā)表了結(jié)合原位 Raman 和 EQCM 技術(shù)的研究成果，涉及離子嵌入、電極界面、催化劑重構(gòu)和電沉積等前沿領(lǐng)域。
這也進(jìn)一步凸顯了 Raman-EQCM 多技術(shù)聯(lián)用在電化學(xué)機(jī)理研究中的科學(xué)價(jià)值。
Nature Materials 2021｜揭示儲(chǔ)能材料中的離子嵌入機(jī)制
在層狀 MnO? 儲(chǔ)能材料研究中，研究人員結(jié)合 EQCM、原位 Raman、XRD 和原位 AFM 等手段，研究離子嵌入、層間水以及結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。
研究發(fā)現(xiàn)，層間限域水在調(diào)節(jié)陽(yáng)離子與材料骨架之間的相互作用方面具有重要作用，為理解電容型儲(chǔ)能行為提供了新的機(jī)理認(rèn)識(shí)。
這說(shuō)明：僅僅測(cè)量電化學(xué)容量還不夠，必須進(jìn)一步研究離子遷移與材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系。
Nature Materials, 2021
DOI：10.1038/s41563-021-01066-4
Nature Communications 2025 / Science Advances 2026｜探索電催化劑的動(dòng)態(tài)重構(gòu)
在析氧反應(yīng)（OER）中，催化劑的初始結(jié)構(gòu)并不一定是實(shí)際工作狀態(tài)下的活性結(jié)構(gòu)。
2025 年《Nature Communications》的一項(xiàng)研究通過(guò)原位 Raman 與 EQCM 等技術(shù)，分析不同結(jié)晶度 CoS? 催化劑的結(jié)構(gòu)演變及穩(wěn)定性差異。
2026 年《Science Advances》的一項(xiàng)研究同樣結(jié)合原位 Raman 和 EQCM，研究電解水催化過(guò)程中結(jié)構(gòu)變化、界面質(zhì)量響應(yīng)以及局部堿性環(huán)境對(duì)穩(wěn)定性的影響。
這些研究共同指向一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：
催化劑在反應(yīng)過(guò)程中究竟如何重構(gòu)？結(jié)構(gòu)變化、物質(zhì)流失與催化穩(wěn)定性之間存在什么關(guān)系？
Nature Communications, 2025
DOI：10.1038/s41467-025-64346-6
Science Advances, 2026
DOI：10.1126/sciadv.aeb8831
Nature Communications 2024｜解析電池電極/電解液界面演化
在低溫鋅電池研究中，研究人員利用原位 Raman 觀察電極附近 Zn2? 相關(guān)的溶劑化結(jié)構(gòu)和濃度變化，并通過(guò) EQCM 監(jiān)測(cè)界面質(zhì)量響應(yīng)。
兩種技術(shù)從不同角度揭示了濃差極化和界面保護(hù)層形成之間的聯(lián)系，為電解液設(shè)計(jì)與電極界面穩(wěn)定化提供了重要依據(jù)。
Nature Communications, 2024
DOI：10.1038/s41467-024-53885-z
從儲(chǔ)能到催化，從電池界面到電沉積，國(guó)際高水平研究正在不斷表明：
電化學(xué)反應(yīng)不僅涉及電子轉(zhuǎn)移，還伴隨著離子、溶劑、反應(yīng)中間體以及電極結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化。
單一表征手段往往難以完整揭示這些耦合過(guò)程。
Raman：回答“發(fā)生了什么化學(xué)變化？"
原位拉曼光譜通過(guò)分析特征振動(dòng)峰的位置、強(qiáng)度和形狀變化，為研究電極材料提供分子及結(jié)構(gòu)層面的信息。
它可用于研究：
電極材料的相變及結(jié)構(gòu)重構(gòu)
反應(yīng)中間體與表面化學(xué)物種
離子溶劑化結(jié)構(gòu)及配位環(huán)境變化
電極氧化還原過(guò)程中的化學(xué)鍵演變
EQCM：回答“界面物質(zhì)發(fā)生了怎樣的變化？"
電化學(xué)石英晶體微天平通過(guò)監(jiān)測(cè)石英晶體的共振頻率變化，靈敏追蹤電極界面的質(zhì)量響應(yīng)。
可用于研究離子吸附/脫附、沉積/溶解、界面膜生長(zhǎng)及電極材料的質(zhì)量演變。
進(jìn)一步結(jié)合 QCM-D 耗散監(jiān)測(cè)，還可以分析軟膜及界面層的黏彈性響應(yīng)，幫助識(shí)別傳統(tǒng)質(zhì)量換算可能受到的影響。
兩種技術(shù)結(jié)合，可以將化學(xué)結(jié)構(gòu)演變與界面質(zhì)量變化聯(lián)系起來(lái)，從而對(duì)復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行交叉驗(yàn)證。
例如，在電池充放電過(guò)程中：
Raman 檢測(cè)到材料的化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，EQCM 同時(shí)記錄到質(zhì)量增加。
結(jié)合電位、電荷、理論反應(yīng)計(jì)量關(guān)系及其他表征數(shù)據(jù)，研究人員就可以進(jìn)一步判斷，這種變化是否涉及離子嵌入、溶劑共遷移或界面膜形成。
傳統(tǒng)的多技術(shù)表征通常分別開(kāi)展 Raman 和 EQCM 測(cè)試，再將結(jié)果進(jìn)行比較。
這種方式能夠提供互補(bǔ)信息，但仍可能受到樣品差異、測(cè)試環(huán)境變化、循環(huán)歷史及反應(yīng)時(shí)間偏差的影響。
而同步 Raman-EQCM 聯(lián)用能夠帶來(lái)三方面的重要價(jià)值。
第一，同一電極、同一環(huán)境，減少不同測(cè)試之間的差異。
在兼容的聯(lián)用測(cè)試池中，研究人員可以在同一電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境下同時(shí)獲取光譜及石英晶體響應(yīng)，提升不同表征結(jié)果的可比性。
第二，關(guān)聯(lián)時(shí)間與電位，識(shí)別動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程。
電極界面變化往往具有瞬態(tài)特征。
如果 Raman 和 EQCM 數(shù)據(jù)能夠依據(jù)統(tǒng)一時(shí)間軸或電化學(xué)電位進(jìn)行對(duì)應(yīng)，就能更準(zhǔn)確地比較某個(gè)結(jié)構(gòu)變化與質(zhì)量變化發(fā)生的先后順序和關(guān)聯(lián)程度。
第三，建立多維證據(jù)鏈，提高機(jī)理解釋的可靠性。
Raman 所反映的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化與 EQCM 所反映的質(zhì)量響應(yīng)相互補(bǔ)充，有助于減少僅憑單一信號(hào)進(jìn)行機(jī)理推斷的不確定性。
尤其對(duì)于離子嵌入、溶劑吸附、催化劑重構(gòu)和界面膜形成等復(fù)雜過(guò)程，同步表征能夠提供更豐富的動(dòng)態(tài)信息。
為了滿足電化學(xué)界面研究對(duì)多技術(shù)原位聯(lián)用的需求，IPS愛(ài)譜斯提供了專門(mén)面向光學(xué)顯微及 Raman-EQCM 聯(lián)用實(shí)驗(yàn)的 RAMAN-EQCM Cell。
該測(cè)試池針對(duì)顯微拉曼環(huán)境下的電化學(xué)石英晶體測(cè)試進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以配合相關(guān)儀器實(shí)現(xiàn) eQCMD 與光學(xué)/Raman 顯微測(cè)量。
主要技術(shù)特點(diǎn)
支持 eQCMD 與光學(xué)/Raman 顯微測(cè)量同步進(jìn)行
針對(duì) Ramman拉曼顯微鏡及類似平臺(tái)設(shè)計(jì)
兼容 Leica N PLAN L 50× 長(zhǎng)工作距離物鏡及類似尺寸配置
使用直徑 14 mm、基頻 5 MHz 的 QCM 石英晶體
配備熔融石英光學(xué)窗口
采用 PEEK 池體、FFKM 密封圈
最大測(cè)試池容積 3 mL
適用于靜態(tài)液體測(cè)試條件
支持通過(guò)X1 QCM儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)
具備可調(diào)節(jié)、可重復(fù)定位的測(cè)試池結(jié)構(gòu)
通過(guò)將 Raman 的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息與 eQCMD 的頻率及耗散響應(yīng)結(jié)合，該平臺(tái)可為儲(chǔ)能材料、電化學(xué)催化和電極/電解液界面研究提供更豐富的原位實(shí)驗(yàn)信息。
實(shí)際同步采集的時(shí)間精度、光學(xué)兼容性以及電化學(xué)配置，應(yīng)結(jié)合所使用的 Raman 顯微鏡、QCM-D 主機(jī)和電化學(xué)工作站進(jìn)一步確認(rèn)。
隨著新能源材料和電化學(xué)研究不斷深入，越來(lái)越多的科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)不再局限于：
“材料性能好不好？"
而是進(jìn)一步追問(wèn)：
“為什么性能會(huì)發(fā)生變化？"
“真實(shí)工作狀態(tài)下的電極結(jié)構(gòu)是什么？"
“界面反應(yīng)、物質(zhì)遷移與材料失效之間有什么聯(lián)系？"
從 Nature Materials 到 Nature Communications，再到 Science Advances，相關(guān)研究已經(jīng)顯示出 Raman 與 EQCM 互補(bǔ)表征在儲(chǔ)能、電催化和電化學(xué)界面領(lǐng)域的重要價(jià)值。
而真正的同步實(shí)時(shí)聯(lián)用，則有望進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程研究的時(shí)空對(duì)應(yīng)性和數(shù)據(jù)可比性，幫助科研人員構(gòu)建更加完整的機(jī)理證據(jù)鏈。
電化學(xué)拉曼石英晶體微天平 讓化學(xué)結(jié)構(gòu)變化可見(jiàn)，讓界面質(zhì)量響應(yīng)可測(cè)，讓復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)得到更全面的理解。
IPS愛(ài)譜斯 RAMAN-EQCM Cell——面向電化學(xué)界面原位研究的多技術(shù)聯(lián)用解決方案。
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