中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授姚濤、韋世強課題組和化學與材料科學學院教授楊金龍課題組合作，發展了原位同步輻射XAFS技術，結合理論計算，首次精確鑒別出鈷基催化在電催化析氫反應過程中，活性位點的真實結構和動態演化過程，為揭示催化過程秘密、提高能源轉化效率提供了有力方案。研究成果1月1日在線發表于《自然—催化》。
從水中分解出清潔無污染且可再生的能源氫，是解決能源問題的一個廣為期待的方案，其中催化材料的參與必不可少，它是提升能量轉化效率的關鍵。探明催化過程的奧妙，了解催化材料在實際工作狀態下的真實結構，是當今科學界和工業界關注的前沿熱點。
催化反應過程往往發生在材料的表界面，但在工業實際應用的電催化能量轉化反應環境中，由于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困難。
高亮度的先進同步輻射光源為解決這一難題提供了手段。“高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細結構譜學技術，能夠在原位實時在線探測處于工作狀態的催化劑的‘一舉一動’。”姚濤說。
研究團隊依托合肥、北京和上海同步輻射光源建立測試裝置，實時監測高度均一的鈷基單原子催化材料，在堿性電催化析氫反應環境下原子和電子結構的演變過程，清晰地追蹤了鈷原子位點在電催化析氫反應過程中的本征活性結構及其發生的結構重組。
該研究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于研究其他光電能量轉化反應中催化材料表界面的動態過程，并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，為設計高效的能量轉化材料提供了新的思路。
相關論文信息：DOI:10.1038/s41929-018-0203-5
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