同步輻射揭示能量轉化過程研究取得進展

利用光電能量驅動實現可再生能源的有效轉化，是構建現代綠色能源的關鍵技術。催化材料能夠加速並高效完成能量的轉化，並且催化反應過程往往都是發生在材料的表界面。因此，探明在服役狀態下催化材料的表界面原子和電子的動態變化過程以及能量轉化機制具有重要意義。

在工業實際應用的電催化能量轉化反應環境中，由於催化材料與電解質溶液接觸的固-液表界面處的活性中心和吸附反應物的濃度極低、以及活性位原子結構隨外加電場的動態變化，給探測真實反應活性位點的結構和中間過渡態造成了很大的困難和挑戰。高亮度的先進同步輻射光源為研究這一亟待突破的電催化能量轉化機制問題提供了契機，高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細結構譜學(XAFS)技術就能夠在工作服役條件下對上述科學問題進行原位實時的在線探測。

研究團隊依託合肥、北京和上海同步輻射光源建立了在線OperandoXAFS測試裝置，實時監測高度均一的鈷基單原子催化材料在鹼性電催化析氫反應環境下原子和電子結構的演變過程。研究人員觀察到，在反應過程中該催化材料並非始終維持初始的「Co1-N4」結構，而是先進行自我優化，吸附溶液中的氫氧根離子形成高氧化態的「HO-Co1-N2」活性中心，隨著電位的增加，水吸附到活性中心生成「H2O-(HO-Co1-N2)」反應中間體。理論計算證實了這些中間體構型並進一步揭示了反應的機理。性能實驗表明，此高活性的催化材料在析氫反應中僅需89 mV過電位即可達到10 mA·cm-2的電流密度，性能和穩定性均已接近目前商業貴金屬鉑碳納米催化劑，展現了其潛在的應用前景。

此項工作中，研究團隊利用原位同步輻射譜學技術發現了活性位在電催化反應過程中的高度敏感性，揭開了催化材料在實際工作狀態中的真實面紗。這種原位同步輻射譜學技術同樣適用於研究其它光電能量轉化反應中催化材料表界面的動態過程，此發現也為從原子尺度探究催化活性中心結構和反應機理提供了實驗基礎和理論指導，並為今後設計高效的能量轉化材料提供了新的思路。

中國科大博士生曹林林、特任副研究員羅其全和博士後劉煒是論文的共同第一作者。該研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會專項資金等的資助。

圖片說明：催化材料（下）幫助水分子分解出氫分子，同步輻射儲存環中引出來一束電子束（圖左），照在材料反應的表面，將這個過程精細反映出來，即圖片上方的水滴中催化材料活性位發生的水解氫過程。/美術設計：崔劼

來源：中國科學技術大學

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