说明：本文华算科技介绍了同步辐射XAS中R空间的相关知识，包括同步辐射、XAS原理、R空间的定义与应用，以及R空间与其他表征的协同作用。读者可系统学习到R空间的分析方法，了解其在催化的应用。同步辐射是高速运动的电子或正电子在改变运动方向时发射出的电磁波。当带电粒子在环形加速器（如同步加速器或储存环）中以接近光速的速度作圆周运动时，由于其受到向心加速度的作用，会在运动轨迹的切线方向上辐射出光子。
由于其同时具备宽波段、高亮度、高准直等优势，可直接解析原子级结构并捕捉超快动力学过程，因此迅速成为材料、化学、生命科学和纳米技术等领域不可替代的实验手段。
图1：同步辐射光源装置
X射线穿透样品时，其强度会因与物质原子的相互作用而改变，这种变化与物质的成分、原子的电子排布以及X射线的能量密切相关。
XAS通常包含X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）。
XANES区域从吸收边以下延伸至阈值以上约50 eV，可用于判断目标元素的价态和获取系统的氧化态及局部原子环境信息，边前峰还蕴含物质的对称性信息，进一步拟合计算可获取物质的三维空间结构。
EXAFS区域从阈值以上50 eV至高1000 eV，是一种元素特定的结构表征技术，能够精确表征吸收原子周围局部环境，如相邻原子的种类、键长、配位数以及特定原子壳中结构的无序度，通常通过将理论模型与实验数据进行定量比较来分析。
图2：XAS图谱
R空间是吸收原子周围配位环境的径向分布函数在实空间的表征，其物理意义源于XAFS光谱中扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的振荡特性。
当X射线光子能量高于吸收边时，光电子被激发为自由电子，其德布罗意波长与周围原子的配位壳层间距相当，导致光电子波与近邻原子的散射波发生干涉，形成EXAFS振荡。
这种振荡信号包含了配位原子的种类、距离、配位数等结构信息，而R空间正是通过傅里叶变换将能量域的振荡信号转换为距离域的分布图像。从数学角度看，R空间谱图由EXAFS函数χ(k)的傅里叶变换得到，其表达式为：
其中，k是波数（wave number）；R是距离（radial distance）；kn是权重因子（通常为k2或k3）；χ(k)是EXAFS函数；ei2kR是相位因子；kmax和kmin是积分范围的上下限。
需要注意的是，R空间中的距离并非严格意义上的真实键长，而是经过相位修正前的“表观距离”（R’）。
由于光电子在散射过程中存在相位移动，实际键长需通过相位校正或拟合分析获得。这一特性使得R空间分析既需要理解其直观的结构示意，又需结合理论计算进行精确解析。
图3：左图XAS E空间，右图R空间
这篇论文的核心问题是：如何解决铂基纳米颗粒（Pt-based NPs）在高温等苛刻条件下容易团聚、烧结的问题？
研究员提出了“原子胶”策略——通过金属–氮–碳（M-N-C）与Pt基纳米颗粒形成强相互作用（如Pt-M-N配位），像胶水一样把纳米颗粒“粘”在载体上，防止其团聚。而同步辐射R空间的分析，正是证明“原子胶”存在的关键证据。
1、确认“原子胶”的核心结构：Pt-Zn-N配位
研究员制备了g-Zn-N-C/PtCo催化剂（即锌–氮–碳载体负载的铂钴纳米颗粒），并通过Zn的K边EXAFS分析探究Zn的局部环境。在R空间图谱中（图H、I），2.18 Å处的峰被归为Pt-Zn配位，2.80Å处的峰则对应Zn-N-C配位。
这直接说明：Zn原子一方面与N结合（Zn-N），另一方面与Pt结合（Pt-Zn），形成了“Pt-Zn-N”的桥连结构——这正是“原子胶”的化学本质。
同时，Pt的L3边EXAFS分析显示，在R空间中，除了Pt-Pt配位峰外，还出现了一个更短距离的峰（图D），这被证实是Pt-Zn和Pt-Co配位的信号。
结合Zn的R空间结果，科学家确认：正是这种Pt-Zn-N的强相互作用，像“胶水”一样把PtCo纳米颗粒牢牢固定在载体上，阻止了高温下的团聚。
图4：经0.5 M硝酸处理后的g-Zn-N-C/PtCo的结构
2、验证核壳结构的稳定性：酸处理后的结构保持
为了测试“原子胶”的牢固程度，团队用硝酸（HNO₃）对催化剂进行了酸处理（模拟燃料电池的苛刻环境）。
通过高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM），观察到处理后的PtCo形成了“有序PtCo核+三层Pt壳”的结构（图A）。而同步辐射R空间的结果进一步验证了这一点：
Co的K边EXAFS分析显示，酸处理后Co的配位环境未被严重破坏，且Co主要分布在纳米颗粒的核心区域（图B和上图的F）。这说明“原子胶”不仅能固定纳米颗粒，还能保护内部的Co原子不被酸腐蚀——这也是催化剂稳定性提升的重要原因。
图5：（A）具有PtCo核壳结构的HAADF-STEM图像。（B）g-Zn-N-C/PtCo的HAADF-STEM图像及其对应的EDS元素分布图。
3、证明策略的普适性：多种金属的“原子胶”结构
团队还将“原子胶”策略扩展到Mn、Fe、Ni、Cu等金属（形成Pt-M-N配位），并通过同步辐射R空间分析验证了结构的一致性。
例如，在g-Fe-N-C/PtCo、g-Cu-N-C/PtCo等催化剂中，Fe、Cu的EXAFS R空间图谱均显示出与Pt和N的配位峰，证明“原子胶”不是Zn专属的特例，而是一种普适性策略。
图6：g-Zn-N-C/PtxM的结构表征。
科学研究中，单一表征的结果往往不足以支撑结论，需要多种技术“交叉验证”。在本论文中，同步辐射R空间的结果与其他表征手段相互配合，共同构建了“原子胶”稳定机制的完整证据链：
1、与STEM/TEM的配合：从“宏观分布”到“原子距离”
HAADF-STEM：直接观察到g-Zn-N-C/PtCo的纳米颗粒尺寸均匀（平均3.3±1.0 nm），且酸处理后仍保持分散；而没有“原子胶”的N-C/PtCo则出现明显烧结。这说明“原子胶”能抑制团聚，但无法直接证明原子间的相互作用。
同步辐射R空间：通过Pt-Zn、Zn-N等配位峰，解释了STEM观察到的“分散性”背后的化学本质—正是原子间的强相互作用阻止了颗粒聚集。
图7：N-C/PtCo和g-Zn-N-C/PtCo表征的示意图与g-Zn-N-C/PtCo的Zn K边R空间
2、与XRD的配合：从“晶体结构”到“局部配位”
XRD（X射线衍射）：通过特征衍射峰确认了PtCo为金属间化合物（IMC）相（JCPDS No.43-1358），且酸处理后结构仍保持稳定。这证明了整体晶体结构的存在，但无法提供原子尺度的配位细节。
同步辐射R空间：通过Pt-Co配位峰的位置（如2.2Å），与XRD的晶体结构数据吻合，进一步验证了PtCo金属间化合物的局部有序性；同时，Zn-N的配位峰补充了XRD无法探测的轻元素（N）的配位信息。
图8：XRD与同步辐射R空间
3、与电化学测试的配合：从“性能现象”到“结构原因”
电化学测试：g-Zn-N-C/PtCo的氧还原反应（ORR）质量活性（MA）达到2.99 A mg⁻¹，是商业Pt/C的11.1倍，且90000次循环后仍保持79.3%的活性（图4A、4F）。这显示了催化剂的高活性和稳定性，但需要结构层面的解释。
同步辐射R空间：揭示了高活性的根源——Pt-Zn-N配位改变了Pt的电子结构（通过XANES观察到Pt的白线强度变化），减弱了对反应中间产物（如OH*）的吸附，加速了反应；而稳定的配位结构（如Pt-Co、Zn-N）则解释了循环后活性的保持。
图9：电化学性能与同步辐射R空间
4、与理论计算的配合：从“实验现象”到“机制验证”
团队还通过密度泛函理论（DFT）计算和从头算分子动力学（AIMD）模拟，从理论上验证了“原子胶”的作用。
计算显示，PtCo团簇与Zn-N-C载体的结合能（-1.99 eV）远高于与N-C载体的结合能（-1.02 eV），这与同步辐射R空间观察到的强配位相互作用一致，从能量角度解释了“原子胶”的稳定性来源。
图10：DFT与同步辐射R空间
本文介绍了同步辐射的特性、XAS原理，重点阐述R空间的物理意义、数学表达及在铂基纳米颗粒等研究中的应用，还说明其与STEM、XRD等表征手段的协同作用。
随着技术发展，R 空间分析将提升精度与分辨率，结合多技术联用，为材料等领域的结构与性能研究提供更有力支持。