什么是同步辐射R空间？
精选干货|同步辐射PDF基础知识及经典应用分析！
红外光谱分析技术在化学领域应用广泛，其基本原理基于物质分子对红外光的吸收特性。当物质受到频率连续变化的红外光照射时，分子会吸收与其分子振动频率相匹配的特定波长的红外光。
这是因为分子中的原子并非静止不动，而是在平衡位置附近作相对运动，形成各种振动形式，如伸缩振动、弯曲振动及变形振动等。
不同的振动形式对应着不同的能量状态，而红外光的能量与分子振动的能量相匹配时，分子就能吸收红外光，从而使得振动能级和转动能级从基态跃迁至激发态，产生红外吸收光谱。
分子的振动形式多种多样，以常见的多原子分子为例，其伸缩振动又可分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动。比如二氧化碳分子，其对称伸缩振动时，两个氧原子同时向远离碳原子的方向运动或同时向碳原子靠近，而不对称伸缩振动则是一个氧原子远离碳原子，另一个氧原子靠近碳原子。
弯曲振动则包括面内弯曲振动和面外弯曲振动等。这些不同的振动形式都会在红外光谱上留下独特的吸收峰，不同分子结构所对应的红外吸收峰也各不相同。
通过对红外光谱图的解析，可以获取丰富的分子结构信息。红外光谱图的横坐标通常表示波数或波长，纵坐标表示透射率。
一般来说，在4000-2500 cm⁻¹区域主要是X-H（X可以为O、H、C或S原子）伸缩振动区；2500-1900 cm⁻¹ 是三键和累积双键区，比如碳碳三键（C≡C）、碳氮三键（C≡N）等键的伸缩振动，以及一些累积双键的不对称伸缩振动都在此区域有吸收峰；1900-1200 cm⁻¹为双键伸缩振动区，常见的碳氧双键（C=O）、碳碳双键（C=C）等的伸缩振动吸收峰就在这个范围。
而 1300-900 cm⁻¹区域包括C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动；900-600 cm⁻¹区域可用于指示 (-CH₂-)n的存在，还能鉴别烯烃的取代程度和构型信息 。
通过分析这些吸收峰的位置、强度和形状等特征，我们就能够推断出分子中存在的官能团以及分子的大致结构。
当同步辐射与红外光谱技术相结合，便产生了同步辐射红外光谱技术（SR-FTIR），对于分子偶极矩的变化非常敏感，可以区分低含量的分子的变化，在分子水平上探究电催化剂的反应机理，具有极大的优势。
高灵敏度：由于同步辐射光源具有高亮度的特性，其产生的光束强度高且束斑狭窄，能够充分捕捉到样品中极其微弱的光学信号。
这使得在分析电催化剂时，即便电催化剂表面的活性位点可能只占极小的比例，使用常规红外光谱技术很难探测到这些位点上发生的化学反应和物质变化，但同步辐射红外光谱凭借其高灵敏度，能够轻松地检测到这些微量物质的红外吸收信号，为研究电催化剂的活性中心和反应机理提供关键信息。
高空间分辨率：在研究电催化剂的微观结构时，通常需要了解材料表面不同微观区域的化学组成和结构差异。
同步辐射红外光谱技术能够实现对微观区域的精确探测，它可以聚焦到极小的区域，对电催化剂表面的纳米级颗粒、晶界或者不同相的界面等微观结构进行分析。
可以利用该技术对单个纳米颗粒的表面成分和化学键进行分析，了解其在催化反应中的作用机制，这对于优化电催化剂的性能具有重要意义。
实时监测：同步辐射红外光谱技术还能够在多种复杂环境下对电催化剂进行原位分析。电催化剂在实际工作过程中，其表面的化学反应和结构变化是动态的，传统的分析方法往往需要将样品从反应体系中取出，这可能会导致样品的状态发生改变，无法真实反映其在工作状态下的情况。
而同步辐射红外光谱技术可以在电催化反应进行的同时，实时监测催化剂表面的物质变化和结构演变，为我们深入理解电催化反应过程提供了有力的工具。
精准捕捉活性位点：在电催化反应中，活性位点是催化剂发挥作用的关键部位，准确确定活性位点对于理解催化反应机理和优化催化剂性能至关重要。同步辐射红外光谱技术能够通过对电催化剂表面吸附物种的振动光谱进行分析，精准地确定活性位点的位置和性质。
识别反应中间体：同步辐射红外光谱对表面的中间体的识别具有极高的灵敏度，尤其是*O、*OH、*OOH等物种，因此，在涉及到氧还原和氧析出的反应时，可以用之来进行催化剂结构变化的检测。
解析复杂体系：除了单一物种中间体的催化过程，该技术同样适用于存在多种反应中间体的复杂体系。这些中间体各自产生独特的红外振动信号，而红外光谱的宽波数范围（可达近4000 cm⁻¹）为它们提供了足够的空间，使其在谱图上能够清晰区分。
例如，在涉及含氮和含碳耦合的体系中，其特征信号也能在红外光谱中明确展现，进一步拓宽了SR-FTIR的应用。
案例：单原子钌催化剂表面动态氧吸附实现酸性下高效OER
在这里，中国科学技术大学国家同步辐射实验室的姚涛教授课题组报告了一种原子分散的Ru1-N4位点锚定在氮化碳载体（Ru-N-C）上，作为酸性OER的高效耐用电催化剂。
单原子Ru-N-C催化剂具有出色的本征活性，在电流密度为10 mA cm-2时，质量活性高达3571 A gmetal-1，转换频率为3348 O2 h-1，所需过电位仅为267 mV mA-2。在酸性环境中试验30小时后，催化剂没有显示出明显的失活或分解。
原位同步辐射X射线吸收光谱和红外光谱识别出工作电位作用下单个氧原子在Ru位点上的动态吸附，理论计算表明，O-Ru1-N4位点具有较高的OER活性和稳定性。
研究团队选取活性位点高度均一的钌基单原子催化剂作为研究对象，该催化剂在析氧反应中达到10 mA cm-2的电流密度仅需267 mV的过电势。同时，利用同步辐射原位X射线吸收谱和红外谱实验装置，实时监测催化剂在工作条件下结构的动态演化过程。
观察到在反应电压下该活性位点“Ru1-N4”会发生动态的单氧吸附，形成关键的“O-Ru1-N4”反应中间体。随着反应的进行，该中间体随之消失。理论计算进一步证实了动态氧吸附可以有效地促进电子从Ru原子转移到O原子，进而促进了OER的活性。
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12886-z
同步辐射红外光谱技术作为一种强大的分析工具，在电催化剂的研究中展现出了巨大的潜力和独特的优势。它能够精准地捕捉电催化剂的活性位点，追踪反应中间体的动态变化，深入解析结构与性能之间的内在关联，为我们理解电催化反应机理提供了关键的信息。