简体中文
English 
RapidXAFS成果速递：台式XAFS在电催化领域大放异彩
X射线吸收精细结构(X-Ray Absorption Fine Structure，XAFS)是一种研究材料局域结构的重要手段，无需同步辐射光源即可完成XAFS测试、满足实验室日常样品分析，在高温、高压等各种气氛条件下，对反应过程原位探测。XAFS对中心吸收原子的局域结构和化学环境十分敏感，因此可以在原子尺度上给出某一特征原子周围几个邻近配位壳层的结构信息，如配位原子种类、配位数及原子间距等结构参数，在催化、能源、纳米材料等热门领域受到广泛的应用。
然而长期以来，XAFS只能在各个同步辐射光源上进行测试，难以满足广大科研工作者日益增长的测试需求。秉持着让XAFS技术走进每个实验室的理念，安徽吸收谱器设备有限公司推出了全新的台式X射线吸收精细结构谱仪RapidXAFS。RapidXAFS以极高的灵敏度和光源质量可以得到与同步辐射光源XAFS相媲美的XAFS数据，现对元素的价态分析和配位结构解析等。
图1 台式X射线吸收精细结构谱仪实物图
RapidXAFS优势
高性能: 提供科研级高质量XAFS数据
能量范围: 4.5-15 keV,可拓展到20 keV
高光通量: 可达2,000,000photons/sec@8 keV
低浓度样品测试: C-N载体可实现0.1 wt%样品XANES测试 ，0.5 wt%样品EXAFS测试
台式设计：无需同步辐射光源即可完成XAFS测试，满足实验室日常样品分析
原位测试：(高温高压，低温低压，各种气氛条件下)，对反应过程原位探测
低维护成本：无需专人维护、操作、管理等
代表性文章
从2022年5月公司成立至今，RapidXAFS在国内单位已成交20套设备，并且在电池、催化、环境等领域累计发表了44篇高水平SCI文章。其中J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun.，Adv. Funct. Mater.，ACS Catal.，Angew. Chem. Int. Edit.，Appl. Catal. B-Environ.等高水平SCI论文占比80%以上，5%以下样品含量文章占比70%以上。近期科研工作者使用RapidXAFS在电催化领域发的代表性文章有：
文章一 首篇原位OER工作：OER电解质阳离子依赖性原位动力学研究(Angew Chem Int Ed. e202216835)
开发高效可再生的能源转化装置有望缓解化石燃料的过度消耗引发的能源危机，电催化可实现化学能与电能的互相转化，因而被认为是一种有前景的可持续能源储存和利用的方案。目前，在多项电催化领域广泛观察到催化活性和电解质阳离子存在相关性，但其影响催化活性的确切作用机制仍不明确。
近期，武汉大学罗威教授团队在Angew. Chem. Int. Edit.上发表题为“Unveiling the Electrolyte Cations Dependent Kinetics on CoOOH-Catalyzed Oxygen Evolution Reaction”的文章，该研究以碱金属阳离子插层导致催化位点微观环境变化差异为切入点，使用安徽吸收谱仪器设备有限公司台式XAFS(RapidXAFS 2M)完成了对CoOOH-M+的局域原子、电子结构表征，证实了阳离子插入所引起的Co价态增加，并通过拟合进一步证实了Co-O键平均键长随着电解质阳离子半径增大而变长的规律，进而具备更优的OER反应动力学，建立了“动态结构-吸附能力-催化活性”的理解。
图2 CoOOH-M+的原位XAFS分析及结构研究
文章二 首篇原位CO₂RR工作：脉冲电解促进Cu₂O/Ag异质结构催化剂CO₂还原产乙醇 (Small, 2307637)
将CO₂电化学转化为特定的高价值产物，对于实现碳中和经济至关重要。与C₁产品（CO、HCOOH、CH4等）相比乙醇（EtOH）作为具有高能量密度的代表性多碳（C2+）产品备受关注。迄今为止，铜和铜基催化剂能够生产C2+产品，在 CO₂还原反应 (CO₂RR) 过程中，铜基催化剂产生的乙烯量是乙醇的两到三倍。由于乙醇与乙烯的反应途径很大程度上重叠，调节乙醇与乙烯的比例仍然具有挑战性，这需要对催化位点和局部环境进行微调。
近期，浙江大学吴浩斌教授团队在Small上发表了题为”Pulsed Electrolysis Promotes CO₂ Reduction to Ethanol on Heterostructured Cu₂O/Ag Catalysts“的文章，报道了一种具有丰富Cu₂O/Ag界面的高效催化剂用于脉冲CO₂电解制备乙醇，该催化剂由负载Ag纳米粒子的Cu₂O空心纳米球(se-Cu₂O/Ag)组成。在中性流动电解池中，脉冲CO₂电解所得乙醇的法拉第效率显著提高至46.3%，部分电流密度高达417 mA cm-2，性能明显优于传统的静态电解Cu催化剂。为了进一步探究机理，作者使用了安徽吸收谱仪器设备有限公司台式XAFS(RapidXAFS 2M)对反应过程进行分析，结果表明在脉冲电解过程中，Se-Cu₂O/Ag的Cu+组分稳定，提高了吸附CO中间体(*CO)的覆盖率，脉冲电解条件下稳定的Cu＋有利于吸附的HCCOH中间体(*HCCOH)加氢为吸附的HCCHOH中间体(*HCCHOH)，进而利于生成乙醇。
图3 Se-Cu₂O/Ag的原位XAFS分析
文章三 分子间隔优化单原子Co位点的空间密度促进可持续电催化水氧化 (J Am Chem Soc, 3c06665)
单原子催化剂（SAC）的研究为设计合成兼具高活性和高原子利用率的高效电催化剂提供了新的解决方案。目前提高SAC性能的常用策略之一是提高金属原子的负载量。然而，随着金属负载量的提升，金属或活性中心的团聚难以避免，这将限制催化剂中有效活性密度(或实际原子利用率) 的进一步提升。
近期，江西师范大学何纯挺教授团队在J Am Chem Soc上发表题为“Optimizing Spatial Density of Single Co Sites via Molecular Spacing for Facilitating Sustainable Water Oxidation”的文章，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。在本项工作中，作者使用了安徽吸收谱仪器设备有限公司台式XAFS(RapidXAFS 1M)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。另一方面，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。
图4 左：三种分子间隔单原子催化剂中Co的XAFS谱；右：CoPc-PM@CNT OER反应前后Co的XAFS谱和小波变换
文章四 限制在单层金属有机层中的双核铜(I)位点促进中性电解质中 CO2电还原为CH4 (J Am Chem Soc, 3c08571)
煤炭、石油和天然气等传统化石能源的过度使用导致了二氧化碳的过度排放，导致了一系列亟待解决的环境问题。由可再生电力驱动的电化学CO₂还原反应（eCO₂RR）利用CO₂和减少CO₂排放提供了有效的策略。通常eCO₂RR到CH4在强碱性电解质中进行，但在碱性条件下，CO₂将与OH–反应形成碳酸盐，导致大量CO₂损失并增加气体扩散通道堵塞的可能性。因此开发能够在中性或酸性条件下实现高性能转化的催化剂将具有很大应用潜力。
近期，中山大学廖培钦教授团队在 J Am Chem Soc上发表题为“Dicopper(I) Sites Confined in a Single Metal–Organic Layer Boosting the Electroreduction of CO₂ to CH4 in a Neutral Electrolyte”的文章，分析了单层的金属有机层纳米片在双核铜（I）活性位点作用下，在中性水溶液中高效产生CH4，并且在连续运行100小时内性能没有明显的降低。作者使用了安徽吸收谱仪器设备有限公司台式XAFS (RapidXAFS 1M)表征了电解前后Cuobpy-SL未观察到明显变化，证明Cuobpy-SL的稳定性。
图5 Cuobpy-SL电解前后Cu的XAFS谱
文章五 揭示过氧化氢在Mn-N-C催化剂pH依赖的ORR性能中的作用 (Appl Catal B: Environ, 123458)
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）操作条件下，Fe-N-C过渡金属催化剂被认为是最有前途的无铂族金属（PGM）ORR 催化剂，但其电化学稳定性差， Mn-N-C作为较低的Fenton反应性的催化剂，在合成技术和性能提升方面取得了重大进展。到目前为止，Mn-N-C催化剂在碱性介质中表现出校高的活性，但在酸性介质中的性能差。了解其有趣但令人困惑的强pH依赖性活性有利于高性能Mn-N-C催化剂的合理设计。近期，郑州大学张佳楠教授团队在Appl Catal B: Environ上发表了题为“Unravelling the role of hydrogen peroxide in pH-dependent ORR performance of Mn-N-C catalysts”的文章，该工作中作者将锰酞菁分子（MnPc）负载到多孔炭黑上后热处理，合成Mn-N-C催化剂。并使用安徽吸收谱仪器设备有限公司台式XAFS (RapidXAFS 2M)表征了活性中心的配位结构，并结合电镜结果证明Mn在MnPc/C-300催化剂中是原子级分散嵌入在载体中并与近邻的四个N原子配位。
图6 MnPc/C-300的XAFS谱
部分发表文章
1. Liao P., et al (2024).. J Am Chem Soc, 3c12423.
2. Guo, H., et al (2023).. Adv Mater, 202304511.
3. Zhu. J., et. al (2023).. Adv Mater, 202209644.
4. Chen, X. et al (2023).. J Am Chem Soc, 3c08571.
5. He, C. et al (2023). J Am Chem Soc, 3c06665.
6. Zheng, L. et al (2023). J Am Chem Soc, 3c05552.
7. Luo, W. et, al. (2023). Angew Chem Int Ed. e202216835.（首篇原位OER反应XFAS文章）
8. Yang, J. et, al. (2023). Angew Chem Int Ed. e202315834.
9. Wang, X. et, al. (2023). Angew Chem Int Ed. 202313886.
10. Li, L., et al (2023). Angew Chem Int Ed, e202307160.
11. Xu Y., et al. (2023). Angew Chem Int Ed, e202317664.
12. Wu H., et, al. (2023). Small, 2307637. （首篇原位CO₂RR反应文章）
......
