应用论文

台式XAFS(型号：RapidXAFS 2M)助力分子基催化剂表征，科研成果以论文的形式发表在国际顶级杂志JACS上：分子间隔策略优化Co单原子位点空间密度。

具有原子经济性和配位环境准确性的单原子催化剂（SAC）为设计高效的电催化剂提供了一种新的解决方案。除了需要精确的局部协调环境外，SAC的发展仍然面临着可控的空间活性结构和在恶劣操作条件下的耐受性等巨大挑战。此外，高负载量的SAC往往具有较多的活性位点和优异的催化效率。但随着金属负载量的提升，这些单原子位点的团聚难以避免，这限制了SAC中有效活性密度的进一步提升。同时，高密度的单原子位点在催化过程中也容易团聚或溶出，导致SAC催化活性降低，如何保持单原子催化剂在苛刻工况下的耐久性仍然是SAC发展的巨大挑战。

图1. 分子间隔单原子催化剂。

（图片来源于J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.3c06665）

江西师范大学何纯挺教授带领的LMEC团队从分子基材料设计出发，用一系列不同的有机酸酐作为间隔分子调控离散金属酞菁中单个Co位点的空间密度，设计合成了新型的分子基单原子催化剂（msSACs），显著提高了有效活性位点密度和传质性能，从而改变催化剂的表观活化能。其中，由均苯四甲酸二酐连接的msSACs（CoPc-PM@CNT）表现出很高的质量活性((1.63±0.01)×105A·g-1)和TOFbulk (27.66±1.59 s-1at 1.58 V vs RHE)，并且在用于析氧反应的工业条件下，在2.0 A·cm-2的超高电流密度下表现出长期耐久性。相关工作以“Optimizing the Spatial Density of Single Co Sites via Molecular Spacing for Facilitating Sustainable Water Oxidation”为题发表在国际著名化学期刊Journal of the American Chemical Society上。

图2 (J-G) 三种分子间隔单原子催化剂中Co的K-edge XANES和FT-EXAFS。

（图片来源于J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.3c06665）

XAFS谱学技术是研究单原子催化剂最有效的手段之一，本次实验所有XAFS数据由安徽吸收谱仪器设备有限公司的桌面X射线吸收谱仪测得，型号为RapidXAFS 2M。在本研究中，XAFS一方面表征了三种不同有机酸酐作为间隔分子并没有非常显著改变Co的电子结构和配位环境，证实了分子间隔策略主要优化的是单原子位点的空间密度。该策略超越了传统的电子结构调控，显著地提升了催化剂的有效活性密度、催化传质和催化耐久性，揭示了单原子位点的空间密度是优化催化性能的另一个重要参数。另一方面，研究还通过XAFS谱学技术还证实了CoPc-PM@CNT在OER反应前后Co单原子的配位环境均保持不变，与此类msSACs具有出色的长时间稳定性测试结果相佐证。

该工作为提升SAC的催化活性提供了一种简便的分子增强策略，并为设计高效、稳定、低成本的能源催化剂提供了新的视角。

图3 (a-b) 各催化剂在不同条件下的稳定性测试；(c) 催化剂的稳定性比较；(d) 原位CO吸附FT-IR光谱；(e) 原位Raman光谱；(f) OER前后CoPcPM@CNT的光学照片；(g) CoPc的电子定位函数；(h) 酞菁中Co原子的结合能(E_b)和Co单质的结合能(E_c)；(i) Co周围配位N原子的径向分布函数；(J-l) CoPc-PM@CNT OER反应前后Co的K-edge XANES，FT-EXAFS，和小波变换。

（图片来源于J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.3c06665）

安徽吸收谱仪器设备有限公司是一家专注于X射线吸收/发射谱技术和光谱仪器开发，为科研人员提供专业的吸收/发射谱技术解决方案。公司由国家自然科学基金杰出青年基金的资深教授牵头，基于同步辐射背景的博士在吸收/发射谱领域10余年的技术研究积累，开发标准化的台式X-射线吸收/设备谱设备。公司秉承“让XAFS走进实验室”的技术追求，钻研吸收/发射谱技术，发扬工匠精神和现代科学创新精神，持之以恒推进X射线技术和仪器设备研发。

安徽吸收谱仪器设备有限公司目前已成功开发并向市场推出四种不同配置的台式XAFS，型号为：RapidXAFS 500K; RapidXAFS 1M, RapidXAFS 1M plus；RapidXAFS 2M, RapidXAFS 2M plus。

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