用户速递：easyXAFS 原位揭示硼空位调控机制，助力成果登上 Small！
发布日期：2025-10-21
锂硫电池（Li–S battery）凭借超高理论能量密度与成本优势，被视为新一代储能体系的重要方向。然而，锂多硫化物（LiPSs）在电解液中的穿梭效应及其缓慢的转化动力学，长期制约着该体系的实际应用。
为突破这一技术瓶颈，研究团队构建了一种含硼空位（VB）的二维WB基 MBene 催化剂（WB–VB）。该催化剂通过原子尺度的空位调控实现了电子结构优化和催化位点重构，从而有效提升锂多硫化物的吸附与转化效率。相关研究成果以 “Boron Vacancy Engineering in 2D WB-Based MBene Catalysts for Optimizing Lithium Polysulfide Reactions” 为题，发表于高水平期刊 《Small》（2025）。
在该研究中，作者借助美国 easyXAFS 公司研发的台式 X 射线吸收精细结构谱仪 easyXAFS300+，对催化剂的局部结构与电子行为进行了系统研究，并在放电/充电条件下实现了原位XAFS动态追踪，为揭示结构-性能关系提供了关键实验依据。
硼空位诱导局部结构重构（上图左1）
在二维 WB–VB 催化剂的构筑过程中，研究人员利用 easyXAFS 进行 W L₃ 边 EXAFS 测试，对比分析了金属 W 箔、WB 与 WB–VB 样品的配位环境。
结果表明，相较于金属 W 箔中典型的 W–W 配位峰（≈ 2.7 Å），WB 与 WB–VB 的主峰强度明显降低，显示出材料从金属键向共价型 W–B 键 转变。特别是 WB–VB 样品中，W–B 配位峰进一步减弱并轻微向短键距方向偏移，表明硼空位的引入降低了局部配位数，使 W 原子处于更加开放、电子密度降低的状态。这种结构特征为 LiPSs 的吸附与电子耦合提供了理想的反应环境。
LiPSs 吸附后的界面结构演化（上图右1）
为揭示催化剂在电化学反应界面上的活性变化，研究人员进一步对 LiPSs 吸附前后的样品进行了 EXAFS 对比分析。
结果表明，经过 LiPSs 处理后，WB–VB 样品在约 1.8 Å 处出现了新的 W–S 配位峰，同时原有的 W–B 峰显著减弱。这一变化直接证明了反应过程中 S 原子与 W 中心之间发生化学键合，说明该催化剂可实现与 LiPSs 的强电子耦合与高效吸附。相比之下，W 箔与 WS₂ 的光谱变化较小，进一步证实了硼空位在调控 W 位点活性与促进 LiPSs 转化方面的关键作用。
原位 XAFS 动态追踪：揭示可逆电子调控与结构稳定性
为深入理解 W 中心在 LiPSs 转化过程中的电子与结构响应，研究团队在 easyXAFS300+ 平台上开展了 W L₃ 边原位 XAFS 测试，实时追踪催化剂在充放电过程中的价态与配位演化。
XANES光谱（上图b,c）显示：在放电阶段，白线峰轻微向高能位移动，说明 W 原子失电子、价态升高，有助于活性硫物种获得电子并促进还原反应；充电阶段，白线回落至低能位，表明W价态可逆降低，体现出优异的可逆氧化还原特性。
EXAFS与小波变换（WT）结果（上图d–g）表明：W–B（≈ 1.93 Å）和 W–W（≈ 2.8 Å）配位峰在充放电过程中几乎未发生明显变化，说明催化剂骨架在电化学循环中保持高度稳定，仅少部分 W 原子参与电子转移。
这一系列原位 XAFS 结果揭示了 WB–VB 催化剂在工作状态下兼具电子调控能力与结构稳定性，并可能在反应过程中形成 W–S 结构，从而实现对 LiPSs 的动态催化转化。
通过 easyXAFS 的高精度 XANES 与 EXAFS 测试，本研究突破性的在原子尺度上明确了硼空位对 W 中心电子结构与配位环境的调控作用，揭示了其在 LiPSs 吸附与转化反应中的电子转移路径。
结语
值得一提的是，easyXAFS设备打破了传统表征手段的限制，无需依赖同步辐射光源，即可在常规实验室环境中实现 X 射线吸收精细结构谱（XAFS）与 X 射线发射谱（XES）双通道测试，获得媲美同步辐射光源的高质量谱图，可精准分析材料的元素价态、化学键及配位结构信息。目前，easyXAFS 已被广泛应用于电池、电催化、环境化学、地质、陶瓷、电磁波材料与核化学等研究领域，并助力科研团队在 Joule、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 等国际高水平期刊上发表了大量成果，持续推动 X 射线表征技术在科研领域的普及与创新。
