從 Nature Materials 到 Science Advances：Ramman看見化學(xué)結(jié)構(gòu)，EQCM稱量界面變化，RAMAN-EQCM電化學(xué)拉曼石英晶體微天平讓機(jī)理同步可見

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、離開或改變電極界面的？

傳統(tǒng)電化學(xué)測試可以記錄電流、電位和電荷，但這些信號(hào)往往不足以直接說明電極表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)演變與物質(zhì)遷移過程。

因此，將不同原位表征技術(shù)結(jié)合起來，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，Nature Materials、Nature Communications、Science Advances 等國際高水平期刊陸續(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。

01｜高水平期刊持續(xù)關(guān)注：Raman + EQCM 為何重要？

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)。

這說明：僅僅測量電化學(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)問題：

催化劑在反應(yīng)過程中究竟如何重構(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 EQCM 監(jiān)測界面質(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程。

02｜Raman + EQCM：讓電化學(xué)反應(yīng)同時(shí)擁有“結(jié)構(gòu)信息"和“質(zhì)量信息"

Raman：回答“發(fā)生了什么化學(xué)變化？"

原位拉曼光譜通過分析特征振動(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監(jiān)測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，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，從而對復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行交叉驗(yàn)證。

例如，在電池充放電過程中：

Raman 檢測到材料的化學(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。

03｜為什么“同步實(shí)時(shí)聯(lián)用"比兩種技術(shù)分別測試更加重要？

原位聯(lián)用的關(guān)鍵，不只是能夠使用兩臺(tái)儀器，而是讓不同物理信號(hào)對應(yīng)同一個(gè)反應(yīng)過程。

傳統(tǒng)的多技術(shù)表征通常分別開展 Raman 和 EQCM 測試，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，減少不同測試之間的差異。

在兼容的聯(lián)用測試池中，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)雜過程，同步表征能夠提供更豐富的動(dòng)態(tài)信息。

04｜IPS愛譜斯 電化學(xué)拉曼石英晶體微天平 RAMAN-EQCM Cell：為原位同步表征提供專用測試平臺(tái)

為了滿足電化學(xué)界面研究對多技術(shù)原位聯(lián)用的需求，IPS愛譜斯提供了專門面向光學(xué)顯微及 Raman-EQCM 聯(lián)用實(shí)驗(yàn)的 RAMAN-EQCM Cell。

該測試池針對顯微拉曼環(huán)境下的電化學(xué)石英晶體測試進(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 顯微測量。

主要技術(shù)特點(diǎn)

• 支持 eQCMD 與光學(xué)/Raman 顯微測量同步進(jìn)行

• 針對 Ramman拉曼顯微鏡及類似平臺(tái)設(shè)計(jì)

• 兼容 Leica N PLAN L 50× 長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

• 最大測試池容積 3 mL

• 適用于靜態(tài)液體測試條件

• 支持通過X1 QCM儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測

• 具備可調(diào)節(jié)、可重復(fù)定位的測試池結(jié)構(gòu)

通過將 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)。

05｜面向未來：從電化學(xué)性能測試走向動(dòng)態(tài)機(jī)理解析

隨著新能源材料和電化學(xué)研究不斷深入，越來越多的科學(xué)問題已經(jīng)不再局限于：

“材料性能好不好？"

而是進(jìn)一步追問：

“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)過程研究的時(shí)空對應(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，讓界面質(zhì)量響應(yīng)可測，讓復(fù)雜電化學(xué)反應(yīng)得到更全面的理解。

IPS愛譜斯 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。