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连续登顶Angew和ACS Catalysis:easyXAFS原位测试助力催化研究取得双突破!

来源:清砥量子科学仪器(北京)有限公司 更新时间:2025-08-07 17:30:20 阅读量:162
导读:连续登顶Angew和ACS Catalysis:easyXAFS原位测试助力催化研究取得双突破!


在能源催化研究领域,催化剂的动态结构演变是揭示活性起源的核心,而原位 XAFS 技术正是破解这一奥秘的关键。近期,两篇发表于 Angewandte Chemie 和 ACS Catalysis 的研究,均借助 easyXAFS 的原位测试能力,成功解析了电催化反应中催化剂的原子级动态变化,为高效催化剂设计提供了决定性证据。



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01
easyXAFS原位追踪 HER 催化剂的重构机制


在电催化析氢反应(HER)研究中,阴极催化剂的重构机制一直是未解之谜。本文的研究人员借助 easyXAFS 的原位 XAFS 测试技术,以硒掺杂磷化钴(Se-CoP)为模型,首次揭示了碱性 HER 中催化剂的 "两步重构" 机制,为高效 HER 催化剂设计提供了原子级证据。通过 easyXAFS 的原位 Co K 边 XAFS 测试,研究人员成功捕捉到 Se-CoP 在 HER 过程中的动态变化。


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图1g: Se-CoP 和 CoP 在开路电压、0、-0.1、-0.2 和 - 0.3 V(vs. RHE)电位下的原位 FT-EXAFS 光谱。为对比,列出了反应后样品的非原位 FT-EXAFS 光谱(g中的非原位谱图来自台湾光源)。h) Se-CoP 和CoP 在 HER过程中归一化吸收边能量和Co-O 配位数的关系。i) Se-CoP 和CoP在HER中原子间距与配位数的关系。j-n) Se-CoP 在 HER中原位EXAFS光谱的小波变换图。


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图2:原位 XANES 光谱。在开路电压、0、-0.1、-0.2、-0.3 V(vs. RHE)电位下记录的(a)Se-CoP 和(b)CoP的原位XANES 光谱。


原位 Co K 边 XANES 光谱(图2a,b)显示,Se-CoP 中 Co 的吸收边随电位持续向高能移动,幅度明显高于未掺杂 CoP,表明Se 掺杂加速了 Co 价态升高与 OH?结合过程。原位Co K 边 EXAFS 光谱(图 1g,h)进一步揭示了配位结构的演变:OCV 时,Se-CoP 中 Co-P 键信号较强;0 V 时,Co-P 键快速消失,Co-O 键配位数从 1.8 增至 2.46,键长收缩至 1.955 ?,证实高结晶性 Co (OH)?的形成;-0.2 V 时,出现 Co-Co 键(配位数 0.53),对应 Co纳米簇的生成。这一 "磷化物→氢氧化物→金属纳米簇" 的两步重构过程,通过原位 XAFS 得到完整记录。小波变换(WT)分析(图 1j-n)直观展示了不同电位下的配位环境变化。OCV 时,Co-P 键的特征信号清晰可见;0 V 时,信号转变为 Co-O 键;-0.2 V 时,出现 Co-Co 键的新信号。这一动态过程证明Se 掺杂可加速重构, 重构后的双组分异质结构纳米簇是高活性的根源。


【参考】Angewandte Chemie International Edition, 2025: e202507040






02
easyXAFS原位揭秘 OER 双金属的协同效应


双金属材料在电催化水氧化领域表现卓越。近期,一篇发表于 ACS Catalysis 的研究借助 easyXAFS的原位XAFS测试技术,以 Co 与 Ni 无差异分布的 CoNi 硒酸盐单晶为研究对象,为探究双金属协同效应提供了理想模型,成功揭示了双金属水氧化电催化剂的活性中心奥秘。easyXAFS 的原位 Co/Ni K 边同步测试,为破解这一难题提供了关键证据。


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图3e、i 为CoxNi1?x (SeO3)?2H2O(x=1、0.6、0)在不同电位下的原位 Co K 边 XANES, f, j 为对应的FT-EXAFS;图 g、k 为相同样品在不同电位下的原位 Ni K 边 XANES,h, l 为对应的FT-EXAFS 。


原位 XAFS 测试起到关键作用。通过原位Co K 边 XANES 测试可见,随电位从开路电压(ocp)升至 1.5 V vs. RHE,Co 吸收边向高能方向移动,表明其氧化态逐渐升高;而 CoNi 硒酸盐在 1.5 V 时吸收边出现特征性负移,直接证明 Co 能促进高价 Ni 物种形成,为协同机制提供核心证据。原位Co K 边 EXAFS 光谱显示,与初始样品相比,ocp 下配位峰变化明显;1.1 V 时,Co-O 键长收缩至 1.4 ?,Co-M(金属 - 金属)键长为 2.4 ?,表明发生结构性重构;至 1.5 V 时,光谱信号与 1.1 V 基本一致,说明催化剂已转化为 oxyhydroxide 活性物种并稳定参与 OER 过程。原位 Ni K 边 XANES 分析证实,电位从 1.1 V 升至 1.5 V 时,Ni 的平均氧化态逐渐升高;而 Ni 硒酸盐在 ocp 下吸收边无明显位移,表明其相转变动力学迟缓。结合 Ni K 边 EXAFS,1.3 V 时 1.4 ?(Ni-O)和 2.4 ?(Ni-Ni)的新信号证实 SeO?2?与 OH?发生阴离子交换,形成 CoNi (O?H?),这一结构转化是 CoNi 双金属协同提升 OER 活性的直接原因。


【参考】ACS Catal. 2025, 15, 13, 11519–11529



03
easyXAFS原位测试的核心优势


无论是 HER 中催化剂的动态重构,还是 OER 中双金属的协同作用,easyXAFS 的原位测试能力都展现了重要优势:无需依赖同步辐射,在实验室即可完成原位 XANES/EXAFS 测试,可灵活安排实验进度;动态过程全覆盖,从开路电压到反应电位,全程追踪元素价态、配位键类型,键长,配位数的变化,捕捉瞬态结构细节;数据精准可靠,支持多元素测试、小波变换等高级分析,结果与光源数据一致,直接支撑机制论证。


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美国Quantum Design公司是知名科学仪器制造商,其研发生产的一系列磁学测量系统及综合物性测量系统已成为业内先进的测量平台,广泛分布于材料、物理、化学、纳米等研究领域的科研实验室。Quantum量子科学仪器贸易(北京)有限公司(暨Quantum Design中国子公司) 成立于2004年,是美国Quantum Design公司在全设立的诸多子公司之一,在全权负责美国Quantum Design公司本部产品在中国的销售及售后技术支持的同时,还积极 致力于和范围内物理、化学、生物领域的科学仪器制造商进行密切合作,帮助中国市场引进更多范围内的优质设备和技术,助力中国科学家的项目研究和发展。

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