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

发布日期：2025-08-06

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。

一、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：

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。

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 Å，证实高结晶性 Co (OH)₂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

二、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：

图3e、i 为Co_xNi_1−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 Å，Co-M（金属 - 金属）键长为 2.4 Å，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 Å（Ni-O）和 2.4 Å（Ni-Ni）的新信号证实 SeO₄²⁻与 OH⁻发生阴离子交换，形成 CoNi (OₓHᵧ)，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

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。

台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES