Jackfish 與 VeeMAX III 的 FTIR 光譜電化學應用

原位 FTIR 對電極界面分子資訊的解析

三電極系統由工作電極承載研究反應，參考電極提供電位基準，對電極完成電流回路；恆電位儀（potentiostat）控制工作電極相對於參考電極的電位並記錄電流。原位 FTIR 則以吸收峰的生成、消失與位移，補上吸附分子、反應中間物、分子取向及界面水結構的資訊。

Jackfish 與 VeeMAX III 的 ATR-SEIRAS 量測架構

衰減全反射表面增強紅外吸收光譜（ATR-SEIRAS）以矽內反射元件（internal reflection element, IRE）承載金屬薄膜。金屬膜同時作為工作電極；紅外光在矽中全反射時產生的倏逝場與金屬—電解液界面附近的分子作用，記錄施加電位時的振動光譜變化。

Jackfish cell 固定鍍膜 IRE，從電解液外側以彈簧接點連接金屬薄膜，並容納參考電極、對電極、電解液及氣體或流動管路。VeeMAX III 將 FTIR 光束以設定角度導入同一片 IRE，再收集金屬—電解液界面的吸收變化。Jackfish 用來建立電化學反應環境，VeeMAX III 則把 ATR 光路導向同一片工作電極。

VeeMAX III 入射角對界面光學耦合的影響

斜面晶體（face-angled crystal, FAC）以斜面幾何與抗反射鍍膜提高光通量。薩斯喀徹溫大學研究團隊在 2019 年的VeeMAX III ATR-SEIRAS 光學配置研究中，以 60° 矽 FAC 取得的光譜響應約為傳統矽半球元件的兩倍。矽 FAC 的光譜範圍則受到約 1250 cm⁻¹ 附近的聲子吸收限制。

微加工矽 wafer 以較短的矽中傳播路徑減少聲子吸收造成的光損失。薩斯喀徹溫大學研究團隊在 2017 年的微加工矽 wafer ATR-SEIRAS 研究中，顯示 500 μm wafer 可改善約 1400 cm⁻¹ 以下的量測表現。VeeMAX III 在這兩項研究中用來調整紅外光進入 FAC 或 wafer 的角度。

ATR-SEIRAS 的工作電極形成於 IRE 表面，或與其上的導電薄膜保持電氣接觸，紅外光因此讀取緊鄰金屬—電解液界面的分子變化。

Jackfish J1–J4 cell 的實驗環境與功能

ATR-SEIRAS cell 不只是盛裝電解液的玻璃容器。金屬薄膜接點、三電極位置、密封、氣體路徑、流動與換液方式，都會影響工作電極能否在量測期間維持相同的界面狀態。Jackfish 將這些條件分成四種結構：J1 對應水系與氣體控制，J2 對應密閉非水系與空氣敏感化學，J3 EEL 對應低體積流動與連續換液，J4 以雙腔分隔工作電極與對電極反應。

J1：水系氣體控制下的 CO₂ 還原界面

J1 的長鼓泡管將惰性氣體通入電解液，排除溶液中的氧氣；短鼓泡管則把惰性氣體導入電解液上方，排氣 trap 作為氣體出口。帶活栓的參考電極側臂作為鹽橋，限制參考電極填充液進入主 cell。FAC holder 與外部彈簧接點則讓鍍膜晶體同時維持 IRE 與工作電極功能。

由國立臺灣大學化學系主導的跨機構團隊，在 2025 年的硫族元素穩定銅催化劑的電荷重分布與甲酸鹽生成研究中，將催化劑墨水滴覆於約 20 nm 金膜的 60° 矽 FAC，搭配 Ag/AgCl 參考電極、石墨棒對電極及 CO₂ 飽和 1.0 M KOH。研究使用 Jackfish J1 與單次反射 VeeMAX III，實際入射角設為 62.5°。

原位 Raman 在 CuS 表面觀察到與 *OCHO 路徑相關的訊號；ATR-SEIRAS 未能在 CuS 上清楚分離甲酸鹽吸收帶，但在 1800–2100 cm⁻¹ 未出現 CO 訊號。相較之下，CuO 在 2051 cm⁻¹ 出現頂位吸附 CO。兩種原位光譜與電化學結果共同支持 CuS 偏向甲酸鹽路徑、CuO 含有較明顯 CO 路徑；J1 的氣體管路、參考電極側臂與外部接點，讓這組水系氣體反應能在同一片 FAC 上接受電位與光譜量測。

J2：在密閉非水系環境觀察銀電極的有機電合成界面

J2 以彈性體密封、電極壓縮接頭與上蓋橡膠隔膜（septum）形成密閉三電極 cell，可在氮氣手套箱內完成裝填後移到 FTIR。參考電極的感測位置靠近工作電極界面，可降低兩者之間未補償溶液電阻造成的電位誤差；外部彈簧接點則從 cell 外側連接金屬薄膜，不必讓導線或夾具伸入電解液接觸薄膜。

芝加哥大學 Anna Wuttig 團隊在 2024 年的銀電極界面調控與片段式親電體偶聯研究中，以鍍銀的矽內反射元件作為工作電極，搭配鉑線對電極、非水系 Ag/Ag⁺ 參考電極及無水 DMF／TBAClO₄。J2 在氮氣手套箱內完成組裝與密封，VeeMAX III 以 60° 設定取得隨電位與反應物加入而改變的 ATR-SEIRAS 光譜。

光譜顯示，沒有 Mg(OAc)₂ 時，兩種親電反應物都會與銀表面作用；加入 Mg(OAc)₂ 後，銀界面受到重新調控，醛類反應物與銀表面的作用減弱，界面中的游離醛比例增加。密閉 J2 讓非水系電解液從手套箱組裝延續到光譜量測，研究團隊才能把反應選擇性的改變連到銀電極上的吸附競爭。

J3 EEL：不中斷工作電極的電沉積、換液與 CO₂ 還原分析

J3 EEL 以低體積流道、進液口與出液口連接外部幫浦。溶液交換期間，外部彈簧接點持續連接同一片工作電極，因此鍍膜、清洗與分析不需要拆開 cell，也不會讓新形成的金屬表面暴露於空氣。

薩斯喀徹溫大學與 Jackfish SEC Manufacturing 團隊在 2024 年的流動式光譜電化學 cell 對電沉積銅 CO₂ 還原催化層的評估中，使用 J3 EEL、蠕動幫浦及鍍有 ITO 的 60° 矽 FAC。鍍銅液、清洗水、4-甲氧基吡啶（MOP）測試液與 CO₂ 飽和 KHCO₃ 依序流經同一片 ITO／Cu 工作電極，VeeMAX III 的附件設定角度為 45°。

MOP 吸附光譜顯示，約 60 mC cm⁻² 的銅沉積量產生較強且較對稱的 SEIRAS 吸收帶；顯微結構分析則指出，緊密、近二維的銅奈米粒子層比三維聚集體更適合這項量測。研究也在低過電位的 CO₂ 還原條件下觀察到吸附 CO 與 COH。流動結構讓各次沉積與換液結果都能回到同一工作電極比較，避免重新組裝造成的表面與接點差異。

J4 H-cell：以雙腔與攪拌分辨 CO₂ 還原的質傳影響

J4 將工作電極與對電極分置於兩個腔室，中間以半透膜分隔。兩側可以維持不同電解液組成，降低工作電極生成物進入對電極腔後再反應的可能性；配置於工作電極下方的低外型磁力攪拌器，則用來改變界面附近的質傳條件。

ETH Zurich Lukatskaya Research Group 與 JackfishSEC 在 2025 年的 application note 攪拌對 CO₂ 還原電極微環境的影響中，以金 FAC 為工作電極、石墨為對電極、Ag/AgCl 為參考電極，兩腔之間使用 Nafion 膜，電解液為 CO₂ 飽和 0.1 M KHCO₃。J4 安裝於水平配置的 VeeMAX III，以 75°、p 偏振光及約 8 秒時間解析度讀取金膜—電解液界面。

未攪拌時，反應電流隨時間下降，溶解 CO₂ 訊號顯示工作電極附近的 CO₂ 濃度下降，吸附 CO 訊號則較強；加入攪拌後，電流較穩定，工作電極附近的 CO₂ 供應增加，吸附 CO 訊號也較弱。同一個 J4 工作電極上的攪拌對照，使電流差異能與局部 CO₂ 供應及 CO 覆蓋率的光譜變化一起判讀。