我國科學家用同步輻射光源追尋水解氫最優方案

　　一束神奇光揭示能源催化過程的奧秘。日前，中國科學技術大學研究團隊利用同步輻射光源發展出先進的表征技術，在國際上率先探明催化材料在水解氫過程中的真實結構。這項科研成果為揭示催化過程秘密、提高能源轉化效率提供了有力方案。

　　尋求高效豐富綠色的新型能源是全世界都關注的問題。從水中分解出清潔無污染且可再生的能源——氫氣，是一個廣受期待的方案，其中催化材料的參與必不可少。催化材料能夠加速并高效完成能量的轉化，是提升能量轉化效率的關鍵一環。因此，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。

　　催化反應過程往往都是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手段。課題組姚濤教授說：“高度靈敏的同步輻射X射線吸收精細結構譜學（XAFS）技術能夠在原位實時在線探測‘工作狀態’的催化劑的‘一舉一動’。”

　　中國科學技術大學國家同步輻射實驗室韋世強教授、姚濤教授課題組與化學與材料科學學院楊金龍教授課題組合作，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，研究成果在線發表在《自然·催化》上。審稿人評價：“這項研究增加了對現實反應條件下結構演變的深入了解，對于該領域的科學家來說非常重要。”

　　據悉，該研究團隊依托合肥、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。

　　目前，商業貴金屬鉑碳催化劑是公認的高效穩定的析氫材料，研究發現這種鈷基催化材料在性能和穩定性均已接近商業鉑碳催化劑，但成本僅為貴金屬鉑碳催化劑的一半不到，展現出潛在的廣闊應用前景。

　　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，此項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，并為今后設計高效的能量轉化材料提供了新的思路。