说明：同步辐射能够深入材料内部，探测原子尺度的结构和电子信息。本文主要介绍了同步辐射XAFS技术通过XANES/EXAFS分析原子配位环境、键长及配位数，结合电镜、XRD、理论计算等多技术，在PdPbHx金属烯催化剂研究中证实了单原子分散结构和H掺杂导致的晶格膨胀，为高效催化剂设计提供原子尺度依据。更多有关知识请看以往推文：

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同步辐射是一种由相对论性带电粒子（如电子）在磁场中做曲线运动时产生的电磁辐射。

它具有高强度、高准直性、宽频谱、高偏振性和脉冲性等一系列优异特性，其强度可达普通实验室光源的上亿倍，频谱覆盖从红外到硬X射线的广阔范围，这使得它能够深入材料内部，探测原子尺度的结构和电子信息。

在材料表征领域，同步辐射最强大的工具之一是X射线吸收精细结构（XAFS）技术，它包括X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）。

当X射线照射到材料中的原子时，原子会吸收特定能量的X射线，而吸收边附近的精细结构XANES和延伸区域的振荡EXAFS则包含了该原子周围的配位环境、键长、配位数等关键信息。这些信息对于理解反应机理、设计高效材料来说至关重要。

u高准直、方向性强

同步辐射光的发散集中在电子运动方向为中心的窄圆锥内，几乎平行。这种高度准直的特性使得同步辐射光能够聚焦到极小的区域，适用于高分辨率的成像和分析。

u宽波段、连续可调

同步辐射覆盖从红外到几千KeV能量的硬X射线波谱，可根据需要选取不同波长的单色光。这种宽波段的特性使得同步辐射在多种实验中具有高度灵活性。

u高亮度、通量大

同步辐射光源的亮度比旋转阳极X射线管高5-10个数量级，具有更高的能量和空间分辨率。第三代同步辐射光源的X射线亮度更是X光机的上千亿倍，极大提升了实验效率。

u脉冲性

电子在环形轨道中的分布不是连续的，而是电子束做回旋运动，因此同步光为脉冲光，具有时间结构。这种脉冲性使得同步辐射能够捕捉瞬态过程，如分子成键、原子运动等。

u偏振特性

同步辐射具有高度偏振，偏振度可达100%。在轨道平面内，辐射为水平线偏振；在轨道平面之外，辐射为椭圆偏振。这种偏振特性在研究样品中特定参数的取向问题时具有重要意义。

本文将从同步辐射的基础出发，深入解析其在最新《Nature Communications》论文中如何与其他表征技术联手，成为揭开协同作用奥秘的核心工具。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60400-5

在这里，作者提出一种通过在Pd基金属烯内共限域p区（In、Sn、Pb）单原子和间隙H原子来有效激活氧解离路径的方法，实现了优异的ORR性能。

同步辐射技术结合相关表征技术和理论计算，证实了间隙H原子促进O₂的直接解离，而Pb单原子增强O₂的吸附强度。该研究为开发高效ORR电催化剂提供了关键启示。

同步辐射的核心作用一：探明原子配位环境

作者利用同步辐射XAFS技术对PdPbH_x金属烯中Pd的配位环境进行了深入研究。

从Pd K-edge XANES谱图可以看出，PdPbH_x金属烯的吸收边与Pd foil接近，表明Pd原子主要处于金属态。Pb L3 XANES谱图则显示Pb原子也主要以金属态存在，排除了Pb氧化态对催化活性的影响，确认了单原子合金的结构特征。

同步辐射的核心作用二：精确测定键长与配位数

通过对Pd K-edge EXAFS谱图的分析，作者发现PdPbH_x金属烯中Pd-Pd/Pb的键长为2.82 Å，比Pd foil的2.74 Å略长，这是由于间隙H原子的掺入导致晶格膨胀。

对于Pb原子，EXAFS和WT-EXAFS结果显示其仅存在Pb-Pd键，没有Pb-Pb键，直接证明了Pb原子以单原子形式分散在Pd晶格中，而非团聚状态。

除了单一的同步辐射技术之外，同步辐射与其他表征技术的结合对于分析材料性质来说具有极大的帮助。

与HAADF-STEM等电镜技术的结合：从形貌到原子分布的连接

TEM和HAADF-STEM图像直观地展示了PdPbH_x金属烯的纳米环结构和元素分布，EELS mapping则证实了Pd和Pb的均匀分布。

在这里，电镜技术能够观察到纳米尺度的形貌和元素分布，但难以直接确定原子级的配位环境。XAFS则通过分析吸收边的精细结构，明确了Pb原子以单原子形式分散在Pd晶格中，而非团聚体，这为电镜观察到的均匀分布提供了原子尺度的结构解释。

HAADF-STEM图像中观察到的原子级分散特征与同步辐射相互佐证，为单原子合金的结构提供了确凿证据。

与XRD技术的结合：从晶体结构到局部配位的全面解析

XRD谱图显示了PdPbH_x金属烯的衍射峰向低角度偏移，对应晶格参数的增大，这表明H原子的掺入导致了晶格膨胀。

这一结果与同步辐射结果形成了完美的呼应，为XAFS中观察到的键长增加提供了宏观结构层面的支持，共同证明了H原子的成功掺入和晶格结构的变化。然而，XRD只能提供平均晶体结构信息，无法揭示局部原子配位环境的细节。

XAFS则弥补了这一不足，精确测量了Pd-Pd/Pb键长和Pb的单原子分散状态，从局部尺度验证了XRD的结论，并提供了更深入的结构信息。

与固体核磁共振（ssNMR）技术的结合：从电子结构到反应机理的探究

固体核磁共振（ssNMR）谱图中26.1 ppm处的新峰直接证明了Pd-H键的形成，而XAFS中观察到的晶格膨胀和键长变化则从结构角度印证了H原子的存在和分布。两者结合，全面确认了间隙H原子在金属烯中的存在形式和作用。

与ATR-FTIR技术的结合：反应机理的动态关联

原位ATR-FTIR光谱揭示了ORR过程中O₂的吸附和活化路径，而XAFS则从电子结构和配位环境的角度解释了PdPbH_x金属烯能够促进O₂直接解离的原因。

H原子诱导的解离路径和Pb原子增强的O₂吸附能力，通过XAFS揭示的电子结构调制得到了完美的理论解释。

与理论计算技术的结合：从实验数据到机理模型

XAFS提供的键长、配位数和电子结构信息为DFT计算建立了准确的初始模型，确保计算结果的可靠性。

DFT计算揭示了H和Pb原子如何通过调制Pd的d带中心和p-d轨道耦合，促进O₂的吸附和解离，这完美解释了XAFS观察到的电子结构变化和催化活性提升的实验现象。

这种理论与实验的紧密结合，使得同步辐射数据不仅是对现象的描述，更成为理解催化机理、指导催化剂设计的强大工具。

在这篇《Nature Communications》的研究中，从探明原子配位环境到揭示电子结构调制，从验证结构稳定性到与其他表征技术的完美配合，同步辐射在每个关键环节都发挥了不可替代的作用。

随着同步辐射光源技术的不断发展以及多技术联用方法的日益成熟，同步辐射将继续在催化材料、能源存储、量子材料等前沿领域发挥核心作用，从而设计出更高效、更稳定的催化剂。