XAFS是精确测量原子局域结构的有效表征手段。除了对静态的原子结构进行表征以外。
近年来，对真实反应条件下的催化体系进行原位XAFS测量以获取原子结构的动态变化引起了人们越来越多的重视，相应的原位XAFS技术也得到了迅速发展。
在气-固相反应原位测量过程中，原位装置应该尽量符合特定反应的要求以及XAFS测量本身对获得高质量数据的要求，因此需要依据具体反应的特点，合理地设计原位实验装置。
通常应考虑以下因素：
（1）对需要加热的反应。
原位实验装置的加热范围应满足相应反应体系所需的温度要求，加热器件能够承受所需目标温度，同时还需要完成精准的升温程序控制。
（2）催化剂中待测元素的含量决定了数据采集方式。
在透射采集模式下，X射线光路中不应有发热丝存在。在荧光模式下, 为了收集尽可能多的荧光信号，必须确保信号窗口足够大，并且样品的位置尽可能靠近X射线窗口的位置。同时，信号窗户与发热丝之间需要有一定的距离，以避免过热。
（3）窗口材料的选择。
需要根据被测元素的吸收边能量和原位实验装置所需承受的压力来决定。在常压常温条件下，一般选用Kapton薄膜作为窗口材料，其工作温度范围在500℃以下。
对高温或低温实验，多选用金属铍作为窗口材料，因为铍具有良好的化学、热稳定性以及超强的X射线透射能力。
此外，立方氮化硼由于在X射线到远红外波段具有良好的透射率，也经常被选为原位反应装置的窗口材料。
（4）气体进、出口方式应尽可能接近真实反应条件。
在此基础上，流动气体还需要与催化剂完成充分接触，以保证催化剂活性位点的最佳利用率。
1979年，美国波音公司F.W. Lytle等设计并制造了第一个用于热催化反应XAFS原位测量的反应池，由氮化硼制成的样品架垂直于X射线方向，可进行透射模式测试， 并最大限度地减少反应池对X射线的吸收。
1985年，美国波音公司F.W. Lytle等根据测量模式对原位实验装置进行了改进。该装置中样品架可旋转至与入射X射线束成45°角的位置，从而也可以进行荧光模式采集数据。通过水冷管道确保了原位实验装置的外壳保持室温，并保护探测器和束线站中的其他电子元件不受热。
此设计模型奠定了气-固相催化反应原位实验装置的设计基础。
2007年，苏黎世联邦理工学院Stefan Hannemann团队设计了用于XAFS测量的宽温度区间的透射/荧光模式下原位实验装置。
实现了催化过程中多个温度区间的XAFS数据采集，该装置在样品架周围安装了一个液氮容器和加热板，使冷却或加热温度分别降至液氮温度或升至973 K的温度。
由于该类原位池的设计为两种探测模式的集成，因此加热模式应谨慎选择，以避免加热装置对X射线束的屏蔽。
在原位装置的实际使用过程中，X射线打到样品上后会发生散射或激发荧光，这些杂散光打到不锈钢原位池腔体会进一步激发出Fe的荧光从而有可能进入探测器，导致后电离室或荧光探测器收集到的信号扭曲，特别是测量低含量的Fe元素的吸收谱时影响更为严重。
中国科技大学韦世强和路军岭等设计了用于多种气-固相催化反应的原位XAFS实验装置，该原位反应装置的整体设计思路为对压片后的催化剂粉末在升温条件下，进行透射和荧光模式测量(如下图所示)。
其加热腔体和隔热层均衬以5 mm厚的高纯度的石英层，以降低不锈钢腔体外壳的金属元素杂散光的影响，可用于样品中痕量Fe元素的测量。
为了更深入地揭示气-固相反应的机理，XAFS原位测量不仅需要在高温条件下进行，而且通常还需要高压条件才能完成反应。因此需要开发高温高压原位实验装置，以扩大其应用范围。
Dmitry E. Doronkin等设计了温度和压力分别高达473 K和150 bar的用于间歇反应的原位实验装置。
该原位实验装置有两种不同的X射线束路径，可以用来探测液相和固体催化剂。
2012年，瑞士保罗谢勒研究所Dreher等设计了一种可承受500℃高温和30 MPa高压的连续流反应器（下图）。
该反应器由铁/镍合金电热丝线圈以紧密缠绕的方式有效加热。管材料是由AlN制成的，其末端由不锈钢外壳密封，能承受极高的压力。
然而，厚的AlN管导致X射线通量的严重衰减。因此, 用于高温超临界流体反应的原位实验装置需要适用于吸收优势大于20 keV的重元素。
2005年，瑞士苏黎世联邦理工学院Jan-Dierk Grunwaldt等设计了一种可以在室温至220℃的温度范围内和250 bar的高压下工作的原位实验装置，用于液相和固-液界面的原位XAFS测量（下图）。
该原位实验装置的特点是在反应室底部安装了磁性旋转装置，可以在间歇磁搅拌条件下进行反应。
该设计为研究液体样品和固-液界面的催化反应提供了新的平台。
2008年，日本高能加速器研究机构Toshihide Kawai等设计了一个具有代表性的原位实验装置，以研究固体催化剂在流动液体中反应的结构变化。
采用CBN作为窗口材料，原位实验装置可在10 MPa的高压和900 K的温度条件下进行实验。
2007年，美国环球油品公司Simon R. Bare等设计了用于原位XAFS研究的原位实验装置（下图），该设计的独特之处在于整个反应池都是由Be制成的，而不仅是窗口材料。使得它们可以在高温(873 K)和高压力(14 bar)下工作。
上海同步辐射装置BL14W1-XAFS束流线站还设计并制造了可承受0.6 MPa压力和600℃高温的原位实验装置（下图）。
考虑到有限的X射线衰减，通常使用高分子薄膜作为X射线窗口材料。然而，聚合物材料的耐压和耐温性不足以满足严格的反应条件。因此，当使用聚合物薄膜作为窗口材料时，温度和压力分别不能超过500℃和0.1 MPa。
该原位实验装置由加热室、加热器和屏蔽层组成。在该原位实验装置中，Be膜的内部有一层聚合物薄膜，以隔离反应气体，并保护Be层不受污染。
同时, 复合窗口材料可以提供相当大的耐压和耐高温能力。该系统使反应气体更加均匀地流动，降低了保护层和装置外层的温度， 从而也对操作人员起到了保护作用。
为明确电催化剂的活性结构在反应过程中的动态变化，需要针对该电催化反应在三电极体系中进行原位XAFS测试。该类非工况条件的电化学测试通常在酸性或碱性电解质的水溶液中进行， 并且使用铂网/碳棒作为对电极。
2019年，美国康奈尔大学Héctor D. Abruña等报道了一种用于透射模式下原位XAFS测试的电化学反应池。
该原位池为三电极体系反应池，如下图所示。反应池由聚四氟乙烯（PTFE）材料制成，两块PTFE板可以用6个螺丝紧密密封，PTFE板之间放置有U型的密封圈。
反应池中电解液的厚度可通过6个密封螺丝调节至200 μm以下，从而有效避免电解液对X射线信号的干扰，如下图所示。
在反应池的顶部配有包含气体进出口的密封盖，以满足原位XAFS测试过程中电化学反应对气体的需求。工作电极使用200 μm厚的碳布作为载体，催化剂层的厚度约40 μm。在反应池内部，将带有催化剂层的碳纸部分浸入X射线窗口附近的电解液中。
碳棒用作对电极(CE)并放置在工作电极(WE)附近。参比电极(Ag/AgCl)通过盐桥(KCl)的方式与反应池相连，以尽可能减小超薄电解液层在电化学测试期间的IR降。
研究人员利用该原位池成功实现了对电催化氧还原反应过程中Co1.5Mn1.5O4/C催化剂活性结构变化的原位XAFS测试。
为了保证电催化反应过程充分的扩散动力学，原则上需要电解液厚度大于10 mm。然而，在透射采集模式下，为减少穿过电解液的X射线光子强度的指数衰减，一般需要减小电解液厚度在2 mm以下。
因此在电催化反应表界面动力学的原位XAFS测试中，荧光采集模式具有更大的优势。
为了避免水溶液的影响，背入射荧光采集模式被大量用于探测电催化反应过程中工作电极表界面的动态演变，如下图所示，入射的X射线光子从工作电极的背面照射，激发的有效荧光信号也在工作电极的背面一侧被收集。
常用的原位池的池体采用聚醚醚酮树脂（PEEK）材质或有机玻璃（PMMA）材质制成，如下图所示，池体的溶剂约50 mL。
对于PEEK材质的原位池适用于对反应密封性有要求的电催化反应， 池体顶部带有电极插入口以及气体出入口，可通过螺丝密封，装载工作电极的一侧池体与X射线入射方向呈45°。
为降低X射线光子强度的损失，工作电极背面紧贴原位池的X射线窗口并使用窗口片固定，窗口采用Kapton薄膜密封。
PMMA材质制成的原位池具有简单易操作的优点，涂有催化剂的工作电极被Kapton胶带粘贴在窗口位置，同时窗口被Kapton胶带密封以防漏液，参比电极、对电极、气体管路等均从原位池顶盖的孔隙中插入。
该类型的原位池被研究者广泛采用，并进行了大量的有关电催化反应过程中催化剂结构动力学演变的研究工作。
许多固-液相电催化反应（如氧还原、水电解等）是能量转换装置中重要的阴/阳极反应。由于针对单电极半反应研究的电化学反应池与实际能量转换装置中的催化反应条件在湿度、气体压力等方面存在着差异性，因此对工况条件(operando)下能源转换装置中催化剂材料结构演变的研究也具有重要意义。
2002年，美国伊利诺伊理工大学Eugene S. Smotkin等设计了如下图所示的应用于原位XAFS测试的燃料电池装置。装置由两个石墨板（9.52 cm×9.52 cm）支撑。石墨板的厚度约为1.9 cm，面积为1 cm2的X射线窗口开在石墨板的外侧中央，深度约1.5 cm。
因此，X射线到达电极时仅需要穿过4 mm厚的石墨板。石墨板中带有与窗口连通的燃料进/出入通道以及放置微型加热器的孔洞。
两个气体扩散层分别与阴、阳极催化剂紧密贴合，中间用Nafion 117交换膜隔开组成膜电极（MEA）组件。MEA夹在两个PTFE垫圈中间，完整组装的燃料电池的图片如下图，显示石墨板的内侧面和外侧面（下图）。
在进行原位XAFS测试时，该燃料电池装置被组装在与X射线束平行的平台上，在原位池和平台之间放置硅橡胶片，以使反应池绝缘。该原位装置可用于多种燃料电池阴/阳极催化剂的原位XAFS表征。
Eugene S. Smotkin等利用该原位装置在美国阿贡国家实验室的先进光子源(APS)实现了在聚合物电解质燃料电池运行过程中对阳极Pt50Ru50合金催化剂中Pt L3边和Ru K边的原位XAFS测试。
此外该原位装置还可以通过在阳极输送甲醇燃料来进行甲醇燃料电池中阳极甲醇氧化电催化剂的原位XAFS表征。
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