登NC！easyXAFS揭秘催化反应中间态, 实现安培级 CO₂还原新突破
发布日期：2026-02-24
在催化、能源等材料微观结构研究领域，同步辐射光源的依赖曾是制约科研效率的重要因素，台式 X 射线吸收精细结构分析系统 easyXAFS的出现，彻底打破了这一限制，让实验室自主开展高精度 XAFS 与 XES 测试成为常态。该设备不仅拥有≤0.1 wt% 的超高灵敏测试能力、ppm 级 XES 精准分析水平，更具备 4.5–25 keV 宽能量覆盖，可检测 70 余种元素，搭配出色的原位动态追踪能力，能精准捕捉材料反应过程中的微观结构与电子态变化；历经多年技术沉淀，设备已服务全球 200 余家用户，市场占有率超 70%，与催化、电池、能源等多前沿研究方向的高度适配性，更让其成为科研人员解析材料结构的可靠选择，为各类材料微观研究提供直接且硬核的结构数据。近期，南京大学研究团队发表于《Nature Communications》的高效电催化二氧化碳还原研究，便借助easyXAFS完成了核心的表征分析工作，精准揭露催化反应中间态、深度解析反应机理，助力该研究实现重大突破，相关成果也为电催化 CO₂还原技术的产业化应用提供了关键的理论与实验支撑。
台式X射线吸收精细结构谱/发射谱仪-easyXAFS
电催化二氧化碳还原技术通过将温室气体转化为高附加值化学品，为缓解气候危机和储存可再生能源提供了双重解决方案。然而在实际操作条件下，尤其是在工业级电流密度（>200 mA cm⁻²）要求下，分子催化剂普遍面临浸出、团聚和结构降解等严峻挑战，严重制约其实际应用。针对于此，南京大学学者提出，通过聚吡咯（ppy）介导的电聚合策略，成功将原始钴酞菁（CoPc）分子催化剂共价接枝到气体扩散电极（GDEs）上，在GDEs与原始CoPc之间形成牢固的C-C键，不仅解决了传统非共价锚定策略中催化剂易脱落和聚集的问题，还通过ppy的电子给体效应显著增强了CoPc活性中心的CO₂电解性能。该电极实现了500 mA cm⁻²的电流密度下连续运行120小时，在与三结太阳能电池（GaInP₂/InGaAs/Ge）耦合时，实现了19.2%的太阳能到CO的转化效率。
CoPc/ppy/GDE在Co K边的X射线吸收近边结构（XANES）谱表明，Co的平均氧化态介于金属Co(0)和CoO(+2)之间；与具有D4h对称性的原始CoPc相比，其吸收边红移，且在~7710 eV处的1s→4pz跃迁减弱，表明Co–N4配位的对称性降低。 傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构分析表明，CoPc/ppy/GDE和原始CoPc在~1.5 Å处均存在主要的Co–N配位峰，表明Co2+–N是它们的主要物种。 EXAFS光谱的小波变换进一步证实了这一结论，在~5.9 Å⁻¹处显示出显著的强度峰值。 同时，在~8.2 Å⁻¹处还存在一个较小的强度峰值。 在CoPc/ppy/GDE上，该峰值被推断来源于Co⁺-N物种。XPS测量结果也进一步证实了CoPc/ppy/GDE的电子结构调制。 如上所述，这些现象与ppy向CoPc域的电子供体效应相一致。总的来说，通过ppy介导的共价接枝策略，在CoPc/ppy/GDE中实现了CoPc分散性的改善、Co–N4中心的不对称配位以及Co位点电子密度的增加，这将提高CO2 RR的性能和选择性。
为了进一步评估原子分散的Co活性位点的演化特性， 作者采集了催化剂在CO2饱和的0.1 M KHCO3溶液中反应不同时间后的Co K边XANES及EXAFS谱。在此条件下，含氧物种（OH−、H2O以及反应中间体，例如HCO3−、CO*和COOH*）可能会吸附在CoPc/ppy/GDE上，并且在移除外加电势后，Co中心的价态会升高。 EXAFS分析的进一步证据表明，Co-N键略微伸长（从1.98 Å到2.05 Å），更重要的是，在~1.2 Å处出现了Co-O配位峰。这些现象与含氧反应物/中间体（例如OH−、HCO3−或COOH*物种）与Co中心配位以及CoPc/ppy/GDE中相应的结构弛豫（Co-N键伸长）一致。 相比之下，CoPc/CNT-GDE的XANES曲线中吸收边的蓝移和EXAFS谱中的Co-O配位不如CoPc/ppy/GDE显著，这表明CoPc/CNT-GDE对OH−、CO2、H2O反应物的吸附较弱，并且含氧中间体的积累也比CoPc/ppy/GDE少。
参考文献：
[1]. In-situ grafting of cobalt phthalocyanine on gas diffusion electrodes enables amperelevel CO2 reduction, Nature Communications | (2026) 17:124
