顶刊为什么必须有同步辐射？

说明：本文介绍同步辐射XAS凭借其原子级分辨、多元素分析、原位无损等优势，成为顶刊催化研究的关键技术。它精准解析活性中心配位与价态，并与电镜、XPS、DFT等多技术协同，揭示催化机制，指导高性能催化剂设计。

什么是同步辐射XAS

同步辐射是一种由高能电子在环形加速器中做曲线运动时产生的高强度、高准直、宽频谱的X射线光源，而X射线吸收光谱（XAS）是利用同步辐射X射线研究物质原子结构与电子状态的核心技术，其本质是通过分析X射线穿过样品时的吸收信号，反推原子的局部环境信息。XAS主要分为以下两个部分：

X射线吸收近边结构（XANES）：聚焦于吸收边附近（能量范围通常为吸收边前后 50-100 eV）的信号。其吸收峰的位置、强度与形状直接反映原子的氧化态和对称性等信息。通常情况下，氧化态越高，吸收边向高能量方向偏移越明显。

扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）：关注吸收边高能侧（能量范围通常为吸收边后200-1000 eV）的振荡信号。

这些振荡源于中心原子与周围配位原子之间的X射线干涉，通过对信号的傅里叶变换与拟合，可以定量获得配位原子种类、配位数（中心原子周围紧邻的配位原子数量）、键长（原子间的精确距离，单位 Å）以及无序度（原子排列的混乱程度，用 Debye-Waller 因子σ²表示）等关键参数。

与传统表征相比，同步辐射XAS具有什么优势？

对比维度	同步辐射XAS	传统表征
核心测试对象与信息	聚焦原子局域结构与电子态，可同时获取：元素氧化态、配位数、化学键类型、、原子间距，无需样品长程有序。	通常侧重单一信息，无法同时覆盖局域结构与电子态。
元素检测能力	可检测周期表中除H、He 外几乎所有元素；通过特征吸收边识别元素，大部分不受样品中其他基体元素干扰。	存在明显元素检测局限。
样品状态兼容性	无破坏性，测试过程不损伤样品，可对同一样品进行多次/ 动态监测；状态无限制：可测试固体、液体、气体、高温熔融态、高压原位状态等。	样品状态限制严格，多需预处理。以SEM为例，需固体样品，导电差的样品需镀膜，液体/气体无法直接测试。
多元素同时分析能力	可通过扫描不同元素的特征吸收边，实现同一样品中多种元素的同时分析，获取不同元素的局域结构与电子态关联信息。	多元素同时分析能力弱，例如SEM/EDS：可同时测多种元素，但仅为定性/半定量，无法获取结构/价态； XRD：无法直接分析元素，需结合物相反推，多元素共存时物相解析复杂。

同步辐射XAS在分析原子级催化中的应用解读

本文将从同步辐射XAS的基础出发，深入解析其在《Nature Communications》论文中的具体应用，以及它如何与其他表征技术协同作用，揭示了同步辐射XAS在解析原子级催化中的应用。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63577-x

在这里，作者借助La掺杂诱导的离子交换，成功实现了在Co₃O₄晶格内原子级锚铱Ir。实验表明，在La掺杂的Co₃O₄中，晶格锚定的Ir具有更高的原子分散度、更大的平均配位数和更高的氧化态。这些改进提高了材料的活性和稳定性，使该催化剂在质子交换膜电解槽中表现出显著的性能。

1. 同步辐射XAS的核心作用一：揭示配位环境

通过Ir的L3边EXAFS傅里叶变换谱图与其对应的拟合参数表可以看出，与表面吸附的Ir-Co₃O₄相比，晶格锚定的LaIr-Co₃O₄中Co-O的配位数更高，表明Ir优先占据Co₃O₄中的八面体Co³⁺位点；而Ir-Co配位数的提升，直接证明Ir与周围Co原子形成了更强的晶格连接，而非表面吸附的孤立状态。

另一方面，对比Ir foil的EXAFS谱图，发现LaIr-Co₃O₄和Ir-Co₃O₄中均未出现Ir-Ir键的特征峰，排除了Ir团簇的形成，进一步确认Ir以单原子形式存在。

通过Co的K边EXAFS傅里叶变换谱图与其对应的拟合参数表可以看出，La的掺杂与Ir的晶格锚定共同导致Co₃O₄的配位缺陷增加。这些缺陷不仅能作为OER的辅助活性位点，还能进一步增强Ir与载体的相互作用。

2. 同步辐射XAS的核心作用二：分析氧化态

从Ir的L3边XANES谱图可以看出，其白线峰对应2p电子向空的5d轨道跃迁，其强度与能量位置直接反映Ir的氧化态，氧化态越高，白线峰越强且向高能量偏移。更高的Ir氧化态能增强对OER中间体的吸附能力，为后续催化活性提升奠定基础。

从Co的K边XANES谱图可以看出，LaIr-Co₃O₄的白线峰强度低于Ir-Co₃O₄和纯Co₃O₄，且峰位置向低能量方向偏移。白线峰强度降低表明Co的平均氧化态下降，这也是LaIr-Co₃O₄长期稳定的重要原因之一。

除了单一的XAS技术之外，XAS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。

3. 与电镜技术的结合

结合TEM/HAADF-STEM技术发现，LaIr-Co₃O₄为平均尺寸8.6 nm的均匀纳米颗粒，HAADF-STEM图像中分散的亮斑证明Ir为单原子；而 Ir-Co₃O₄尺寸达15 nm，且出现Ir团簇。

这点与XAS的结果一致，TEM提供宏观形貌与元素分布信息，XAS提供原子级配位结构信息，共同证明 LaIr-Co₃O₄中Ir的单原子特征。

4. 与X射线光电子能谱（XPS）技术的结合

从XPS谱图可以看出，LaIr-Co₃O₄的Co²⁺/Co³⁺比例略高，Ir 4f峰向高结合能偏移，且在Ar⁺刻蚀过程中保持稳定，证明Ir均匀分布于体相，而Ir-Co₃O₄的Ir信号随刻蚀增强，证明Ir富集于表面。由于XAS反映的是体相平均状态，XPS反映表面状态，共同证明Ir在LaIr–Co₃O₄中是体相晶格锚定。

5. 与DFT计算的结合

通过DFT计算Ir³⁺取代La³⁺/Co³⁺的形成能，证实La-Co₃O₄表面Ir取代La为自发过程，而Ir直接取代Co为吸热过程，明确La辅助Ir晶格锚定的热力学可行性；

通过模拟AEM、LOM、OPM三种OER路径自由能，发现 LaIr-Co₃O₄的OPM路径能垒低于Ir-Co₃O₄的AEM路径，且OPM路径O-O耦合活化能远低于 LOM，阐明反应机制优势；同时通过 PDOS与Bader电荷分析，揭示Ir向Co的电子转移及Ir更高氧化态，解释金属–载体相互作用增强的本质。

同步辐射XAS与DFT通过数据互补验证，XAS的EXAFS定量获得LaIr-Co₃O₄中Ir-O和Ir-Co的配位参数，与DFT模拟的Ir晶格取代结构一致；

XANES揭示的Ir更高氧化态、Co氧化态降低，与DFT计算的电荷转移结果相互印证。二者共同证实La辅助Ir晶格锚定策略的合理性，及OPM机制在提升催化活性与稳定性中的关键作用。

总结

通过本次解读的文章可以看出，同步辐射XAS具有核心支撑的作用，其独特优势贯穿催化剂结构解析与作用机制探究全程。通过同步辐射XAS与其他表征技术、DFT理论计算形成有效协同。

与微观成像技术互补，完善Ir原子分布与配位环境的认知；与表面电子态分析结合，验证电子结构变化在体相和表面的一致性；与DFT计算相互印证，使理论预测的结构形成过程、反应路径优势得到实验数据支撑，为低贵金属催化剂的精准设计提供了重要技术与理论参考。

声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！